При сварке плавлением качество сварного соединения во мно­гом зависит от геометрической формы сварного шва [12, 154]. Форма наплавленного валика или сварного шва характеризу­ется, главным образом, глубиной проплавления Н„р, шириной шва Вш и высотой усиления Нш (рис. 6) и зависит от многих причин. Изменение силы сварочного тока, напряжения на ду­ге, скорости сварки, вязкости флюса, вылета электрода, по­ложения деталей в пространстве и многих других факторов может заметно повлиять на форму сварного шва. Влияние мно­гих из этих факторов на процессы формирования сварного шва исследованы довольно подробно. Так, установлено, что уве­
личение силы сварочного тока приводит к возрастанию значе­ний Япр, Нт и мало влияет на ширину шва; повышение напря­жения увеличивает ширину шва и несколько снижает глубину

проплавления; увеличение ско - Рис. 6. Форыа „ыкового (о) и рости сварки приводит к сниже - таврового (б) сварных швов, нию значений Нпр, Вш и Нш.

Однако, наряду с перечисленными факторами, для различ­ных типов сварных соединений конфигурация сварного шва существенно зависит и от сил поверхностного натяжения. К сожалению, эта зависимость, хотя и позволяет существенно влиять на форму сварного шва, пока недостаточно учитывает­ся и используется сварщиками. Для выяснения роли сил поверхностного натяжения в процессе формирования шва рассмотрим связь между отдельными параметрами, характе­ризующими форму шва (ЯПр, Вш, Нш), и поверхностными свой­ствами металла.

Одним из наиболее важных показателей формы шва явля­ется глубина проплавления основного металла. Согласно со­временным представлениям о механизме проплавления при дуговой сварке [184], расплавленный металл под действием давления дуги вытесняется из передней части сварочной ван­ны в ее хвостовую часть. Вследствие этого уменьшается тол­щина прослойки расплавленного металла под дугой, улучша­ется теплопередача от дуги к основному металлу и увеличи­вается глубина проплавления. В результате перемещения расплава под действием давления дуги поверхность жидкого металла в начале и в конце сварочной ванны находится на различных уровнях, что обусловливает наличие в ванне гид­ростатического давления.

Перемещение жидкого металла, оказывающее влияние на процесс проплавления, зависит от кривизны поверхности и от величины поверхностного натяжения. Сохранение в сис­теме дуга — сварочная ванна динамического равновесия между силами давления дуги Рл, гидростатического давления Рт и поверхностного натяжения Ри является необходимым ус­ловием нормального протекания процесса сварки.

Математическая связь между глубиной проплавления и ука­занными выше силами может быть приближенно описана вы­ражением [/321:

(П.1)

где ри — плотность металла

Как видно из формулы (II. 1), глубину проплавления при сварке какого-то определенного металла можно увеличить, уменьшив значе­ние Рп или повысив Рд.

Увеличить давление дуги при неизменном диаметре электрода можно, увеличив или силу свароч­ного тока /св, или концентрацию энергии в пятне нагрева. Однако заметно повысить концентрацию энергии можно, главным образом, при сварке неплавящнмся электро­дом. При сварке плавящимся элек­тродом увеличения давления дуги можно достигнуть, в основном, за счет повышения плотности тока. Следует заметить, что регу­лирование глубины проплавления изменением сварочного тока не всегда возможно. Это связано с тем, что при повышении значения /сп обычно увеличивается лишь глубина проплавле­ния, а ширина шва практически не изменяняется, что при­водит к существенному снижению качества шва, так как ухудшается дегазация такого шва, увеличивается склонность его к образованию горячих трещин и т. д. Кроме того, с воз­растанием /св повышается тепловложение в деталь и количе­ство расплавленного электродного металла, что приводит к

лорода в металле на величину глубины проплавления. Как видно из рис. 8, повышение содержания кислорода в металле приводит к возрастанию Н„р. Причем с увеличением силы тока

этот эффект усиливается (рис. 9). На­личие в металле раскислителей (Si, А1) и элементов, связывающих серу, сни­жает влияние серы и кислорода на величину глубины проплавления. Влияние наличия в металле поверх­ностно-активных элементов снижает­ся и при двухдуговой сварке, что, по-видимому, связано с изменением гидростатического давления в сва­рочной ванне. При этом влияние [О] и [SI на величину //,,,, зависит от расстояния между электродами /э. Однако и в этом случае с повыше­нием содержания серы и кислоро­да в металле глубина проплавления возрастает, что видно, например, из рис. 10.

Рис. 11. Изменение величины поверхностного натяжения железа в зависи­мости от содержания кислорода (а) и серы (б) [290]: 1 — 1923 К: 2 — 2023 К.

Рис. 12. Изменение вязкости расплавленного железа в зависимости от со­держания кислорода (а) и серы (б): 1 — 1773 К: 2 — 1823 К: 3 — 1873 К: 4 — 1923 К.

Результаты сопоставления данных по влиянию IS] и [О] на глубину проплавления, на первый взгляд, кажется проти­воречащими их поверхностной активности в железе (рис. 11). Как видно, кислород более поверхностно активен в железе, чем сера. Однако не следует забывать, что кислород в значи­тельно большей мере, чем сера, повышает вязкость металла 18] (рис. 12), а это должно затруднять перемещение расплава в хвостовую часть сварочной ванны. Влияние содержания кис­лорода в металле на величину Нпр подтверждается и данными по сварке в окислительных газовых средах [165, 1801.

Глубина проплавления, а также величины Нш и Вш зависят не только от величины поверхностного натяжения расплавлен­ного металла. Например, при сварке под флюсом форма шва обусловлена величинами межфазного натяжения расплавлен­ного металла на границе со шлаком оы-ш и твердого металла на границе со шлаком ат_ш и с расплавленным металлом

Рис. 13. Соотношение поверхностных энергий в процессе формирования сварного шва (а) и наплавленного валика (б).

ат__ж. При сварке в защитных газах и в вакууме помимо ве­личины поверхностного натяжения расплавленного металла а„._г на формирование шва будут влиять поверхностное натя­жение твердого металла сгг_г и от~ж■ Для установления этой связи рассмотрим равновесие капли жидкого металла на по­верхности твердого при наличии шлака (рис. 13). Зависи­мость между межфазными натяжениями и углами а и 6 выра­жается уравнениями

ам-ш sin 0 — от_ж sin а = 0; (II.2

ат-ш — Ом—ш cos 0 — 0Т—ж cos а = 0. (II.3)

Из уравнений (П.2) и (II.3) следует, что

Аналогично для случая сварки в защитных газах

sin 0 sin а

. — oM_r cos 0

Таким образом, величина углов а и 0, а следовательно, и форма сварного шва зависят от соотношений между поверх­ностными энергиями металла на границах с газом, шлаком и расплава с твердым металлом.

В отличие от сварки при наплавке глубина проплавления и толщина наплавленного валика или слоя часто должны быть небольшими, а ширину валика по возможности стремятся уве­личить, так как от этого во многом зависит производительность процесса. Как известно, основной характеристикой границы раздела трех фаз (в данном случае твердый металл — жидкий

металл — газ или шлак) является краевой угол 0 смачивания, который в случае наплавки в газовой среде и при условии весьма малой глубины проплавления (см. рис. 13) определя­ется выражением

cos 0 =

Поскольку величина адгезии между твердым и жидким металлами, согласно уравнению Дюпре, равна ІКд = ат_г + + оы_г — от_ж, соотношение (II.6) можно привести к виду

IF,

cos в =----- -------- 1. (II.7)

°М—Г

Из формулы (П.7) видно, что краевой угол 0, а следователь­но, и форма наплавленного валика зависят от величины ад­гезии расплавленного металла к твердому и от величины по­верхностного натяжения жидкого металла. При этом пока Wa > ом_г, cos 0 > 0, т. е. смачивание твердого металла рас­плавленным будет хорошим, а угол 0 < я/2. Кроме того, от величины краевого угла смачивания зависит и минимально возможная толщина наплавляемого металла.

Для определения степени влияния отдельных факторов на процесс формирования наплавленного слоя рассмотрим процесс растекания капли расплава по твердому металлу. При этом общее изменение поверхностной энергии системы на единицу поверхности До = см_г + ст_ж — ст_г. При растекании капли, имеющей форму круга с радиусом г, по­верхностная энергия возрастет на величину 2nrAodr, а по­тенциальная гравитационная энергия при условии, что центр тяжести расположен на половине высоты, уменьшится на ве­личину - у VKpMgddK (где VK — объем капли; рм — плотность

расплава; ^ капли).

Для большой капли малой высоты можно

К » лг26к. Тогда — —2—, и условие равновесия Ок г

процесса растекания запишется следующим образом:

~2~ яг26рРы А.

где бр — равновесное значение толщины капли.

Отсюда минимально возможная толщина наплавленного

s /2До7г /Т1

слоя бр = 1—^-1 или с учетом уравнения (П.6)

(II-8)

что величина 6р сравнительно

мало зависит от ом_г и рм, так как они входят в уравнение в степени V2. Очевидно, толщина наплавленного слоя будет, в ос­новном, определяться величиной краевого угла смачивания на­плавляемой поверхности распла­

значений углов 0 = 120° почти линейно зависит от величины О (рис. 14).

Зависимость формы сварного шва и наплавленного валика от поверхностного и межфазного натяжений создает допол­нительные возможности для изменения их конфигурации. Очевидно, что геометрические размеры сварного шва и наплав­ленного валика можно изменить не только введением в металл поверхностно-активных элементов, созданием определенной газовой атмосферы, но и применением определенных флюсов, изменением потенциала поверхности металла за счет внешней ЭДС, использованием предварительного подогрева деталей и так далее.

Связь поверхностных свойств металла и формы сварного шва подтверждается и экспериментами. В частности, в работе [1081 было показано, что применение специально разработан­ных флюсов позволило увеличить глубину проплавления ме­талла и обеспечить хорошее качество сварного соединения без повышения сварочного тока. Влияние компонентов покрытия и составляющих флюса на межфазное натяжение металла и форму наплавленного валика отмечено в работе [313]. При этом было обнаружено, что с уменьшением величины межфаз­ного натяжения наплавленный валик получается более плос­ким. Влияние сил поверхностного натяжения на процесс фор­мирования корня стыковых швов отмечено в [86, 124, 251].

И. Л. Емельяновым [83] установлена аналитическая зави­симость между формой и размерами наплавленного валика и поверхностными свойствами металла. Так, профиль сечения наплавленного валика определяется из уравнения

dx + С,

фазное (поверхностное) натяжение; р„ и р2 — соответственно плотность расплава и окружающей среды; R0 — радиус кри­визны поверхности валика в наивысшей точке.

И. Л. Емельянов предложил методику для определения фор­мы и размеров наплавленного валика с учетом как поверхност­ных свойств металла, так и режимов сварки (силы сварочного тока, напряжения на дуге, скорости сварки и так далее). Связь формы и размеров сварных швов с поверхностными свойства­ми металла отмечена и в других работах, например в [22].

Следует указать, что силы поверхностного натяжения будут оказывать заметное влияние на форму шва не только при ду­говых способах сварки, но также при электронно-лучевой сварке[19] и, вероятно, при других способах сварки плавле­нием. Заметим также, что силы поверхностного натяжения влияют на форму сварного шва при сварке в любых простран­ственных положениях. Причем влияние этих сил возрастает при сварке в наклонном, вертикальном или в потолочном по­ложениях. Как было показано [87], при сварке в наклонном положении предельный вес жидкого металла ванны, выше ко­торого металл вытекает из ванны, снижается с увеличением угла наклона детали. Однако при любом угле наклона предель­ный вес ванны будет тем больше, чем больше будут силы по­верхностного натяжения.

Особенно возрастает влияние сил поверхностного натяже­ния при сварке в потолочном положении [283], поскольку в этом случае металл ванны удерживается в ее передней ча­сти силами поверхностного натяжения и давления дуги, а в х 50СТОВОЙ части — в основном силами поверхностного натяже­ния. Как показывают расчеты [283], примерно 50 % расплав­ленного металла сварочной ванны при силе тока 220—230 А удерживается силами поверхностного натяжения.