Какие существуют методы определения сопротивления металла образованию холодных трещин при сварке

Обновлено: 19.09.2024

Надежность, работоспособность и экономичность сварных конструкций во многом зависят от качества сварных соединений, наличия в них дефектов. При решении важного вопроса о допустимости обнаруженных дефектов следует учитывать следующие важные факторы;

конструктивные особенности, размеры и форму самой конструкции и ее сварных узлов;
напряженное состояние, возникшее в результате ее изготовления, а также после термической обработки;
характер дефектов, их количество и расположение;
условия эксплуатации конструкции и т. д.

Дефекты сварных соединений можно классифицировать

по месту их расположения,
причинам образования,
по конфигурации и размерам.

Образование трещин, пор, шлаковых включений во многом определяется химическим составом используемых сварочных материалов и технологией сварки, а непроваров, подрезов, наплывов, прожогов - нарушением технологического процесса, неисправностью оборудования, низкой культурой производства.

Дефекты типа макро- или микротрещин можно разделить на следующие группы в зависимости от температурного интервала их образования:

горячие, возникающие в процессе охлаждения при высоких температурах, соответствующих приблизительно интервалу от температуры выше точки солидуса до 1000°С;
горячие, образующиеся в интервале температур 1000. 600°С;
образующиеся после сварки в результате отпуска сварных соединений;
холодные, которые появляются по окончании сварки при температурах ниже 250. 200°С;
ламелярные, возникающие в ЗТВ сварного соединения. Они могут зарождаться при повышенных температурах и распространяться в холодном состоянии.

Горячие трещины.

Они образуются, когда в процессе охлаждения деформация металла превышает его способность деформироваться. По мере охлаждения металла изменяются его пластичность и темп деформации. Степень деформации металла в температурном интервале хрупкости (ТИХ) зависит от температурного коэффициента линейного расширения, жесткости свариваемого изделия и режима сварки.

Присутствующие в жидком металле сварочной ванны легирующие элементы и примеси (углерод, сера, бор и др.), имеющие небольшой коэффициент распределения, накапливаясь между растущими ячейками (дендритами), вызывают значительное снижение температуры затвердевания участков жидкого металла, расположенного между ячейками, и способствуют расширению двухфазной области - температурного интервала кристаллизации (ТИК). В связи с этим возрастает различие в механических свойствах (пластичности и прочности) прослойки металла между ячейками, затвердевающей при более низкой температуре по сравнению с ранее закристаллизовавшимися осями ячеек.

При охлаждении металла в результате усадки растет величина деформации и ее концентрация в прослойках металла, имеющих более низкую температуру затвердевания, а следовательно, прочность и пластичность. Исчерпание пластичности приводит к образованию трещин, когда деформационная способность металла будет меньше, чем деформация, вызываемая усадкой.

Пластические свойства металла будут тем выше, чем меньше ТИК, поскольку уменьшается различие в механических свойствах осей кристаллитов и их границ. Термический цикл сварки оказывает влияние на характер первичной кристаллизации, размер кристаллитов и степень химической неоднородности по сечению кристаллитов, направление роста кристаллитов, форму и размеры сварочной ванны. С увеличением размеров кристаллитов повышаются степень химической неоднородности по их сечению и склонность металла к образованию горячих трещин по границам кристаллитов. При узкой и глубокой сварочной ванне, когда рост кристаллов происходит с противоположных кромок навстречу друг другу, в результате накопления легирующих элементов и примесей перед фронтом кристаллизации, вызывающих снижение температуры затвердевания, возрастает опасность появления трещин в средней части шва. Таким образом, на стойкость металла против образования кристаллизационных трещин оказывают влияние форма провара, коэффициент формы шва.

Металлургические и технологические рекомендации по повышению стойкости металла шва против их образования в основном совпадают. Металлургические рекомендации сводятся к использованию сварочных материалов с низким содержанием вредных примесей (серы, фосфора) и поверхностно-активных (олова, сурьмы). При наличии серы необходимо связывать ее в тугоплавкие сульфиды марганца и редкоземельных элементов (церия, иттрия и др.). Технологические рекомендации заключаются в использовании способов и режимов сварки, позволяющих получать оптимальную форму сварочной ванны, обеспечивать измельчение первичной структуры, которое способствует уменьшению степени химической неоднородности и ТИК, а также повышению деформационной способности затвердевающего металла, которую можно регулировать изменением параметров режима сварки, жесткости конструкций и в некоторых случаях - за счет предварительного подогрева.

Горячие трещины в ЗТВ. В температурном интервале примерно 1400. 1000ºС в ЗТВ наблюдаются интенсивный рост зерна и миграция границ зерен. Накопление на границах зерен легирующих элементов и примесей способствует образованию горячих трещин.

Стойкость ЗТВ против появления горячих трещи во многом определяется чистотой конструкционной стали, содержанием в ней неметаллических включений (например, сульфидов). Высокая температура нагрева ЗТВ вызывает оплавление таких включений, расположенных как внутри зерен, так и по их границам. При охлаждении в ЗТВ в результате нарастания временных напряжений могут возникать условия, способствующие образованию горячих трещин.

Оценка стойкости сварных соединений против возникновения горячих трещин. Сущность методов испытаний на горячие трещины состоит в высокотемпературной деформации металла в процессе сварки под воздействием внешних сил, создаваемых испытательной машиной (машинные методы испытания), или под воздействием внутренних сил от усадки шва (технологические методы испытания). Из числа машинных методов следует отметить: ЛТП-1-6, «Веренстрейнт», «Трансверенстрейнт», метод принудительного деформирования металла шва и др.

Для качественной оценки стойкости металла шва против образования горячих трещин используют технологические методы испытания пробы, которые представляют собой типовые сварные соединения (узлы, конструкции), технология сварки которых обусловливает повышенное значение темпа высокотемпературных деформаций, приводящих к появлению трещин.

Для исследования склонности ЗТВ к образованию горячих трещин или определения ТИХ металла может быть использован метод моделирования термодеформационных циклов металла ЗТВ. Такие испытания могут осуществляться на установках ИМЕТ, «Терморестор», системы «Глибл».

Горячие трещины, образующиеся в интервале температур в низкотемпературном интервале хрупкости (НТИХ) (600. 1000ºС), встречаются в многослойных швах в ЗТВ, создаваемой в предыдущем слое при наложении последующего слоя, в ЗТВ основного металла, подвергающейся повторным нагревам при многослойной сварке, в сварных соединениях конструкций при их термической обработке. Одна из основных причин образования горячих трещин в НТИХ - это сегрегация примесей на границах зерен в результате повторного нагрева.

В качестве мер повышения стойкости металла против образования трещин в НТИХ рекомендуются: уменьшение содержания серы и кислорода в металле, измельчение структуры металла шва и ЗТВ, повышение скорости деформации, уменьшение времени пребывания металла в этом интервале и удельной энергии и др.

Трещины отпуска. При термической обработке сварных изделий из низколегированных сталей, а также из никелевых, аустенитных хромоникелевых сталей, предпринимаемой для снижения уровня остаточных напряжений, трещины зарождаются в низкотемпературном интервале (200. 300ºС) при нагреве сварного изделия до температуры отпуска и при температурах отпуска. Причиной появления трещин первого вида может быть высокая скорость нагрева изделия. Термические напряжения высокого уровня, взаимодействуя с остаточными напряжениями, могут вызвать образование микротрещин, рост которых продолжается при дальнейшей нагреве. Дефекты сварных соединений (горячие, холодные трещины), возникшие в результате сварки, могут значительно увеличиться при повторном нагреве изделия.

Предупредить образование трещин отпуска можно уменьшением скорости нагрева изделия при термической обработке, а также охлаждением после сварки перед посадкой в печь на уровне 150. 300ºС.

При уменьшении скорости охлаждения чувствительность стали к образованию трещин отпуска увеличивается. Трещины отпуска, возникающие при более высоких температурах, могут быть вызваны выпадением из твердого раствора внутри зерен мелкодисперсных карбидов, которые вызывают их дисперсионное упрочнение. При этом релаксация остаточных напряжений при отпуске должна протекать по механизму ползучести по границам зерен. При исчерпании пластических свойств на границах зерен появляются трещины.

Неблагоприятное влияние оказывает присутствие в стали поверхностно-активных элементов, а также некоторых легирующих элементов (хрома, молибдена, ванадия).

Холодные трещины. Они являются типичными дефектами сварных соединений из среднелегированных высокопрочных сталей перлитного и мартенситного классов и наиболее часто поражают околошовную зону.

Продольные трещины, расположенные в ЗТВ, называют отколами. Если они возникли в зоне сплавления со стороны шва, то их называют отрывами. Поперечные и продольные могут переходить из ЗТВ в шов. Они могут выходить или не выходить на поверхность сварного соединения (наружные или внутренние).

Стойкость сварных соединений против появления холодных трещин определяется структурой металла, содержанием в нем водорода, уровнем напряжений первого рода, а также присутствием в металле малых количеств (следов) таких примесей, как сера, фосфор, свинец, олово и др., которые могут вызвать на границах зерен образование горячих трещин или микронадрывов, развивающихся в процессе охлаждения в холодные трещины.

На стойкость металла против образования холодных трещин значительное влияние оказывает наличие локальных пиковых микронапряжений, возникающих в свежезакаленном мартенсите в результате фазовых превращений. С этих позиций важное значение приобретает кинетика фазовых превращений в ЗТВ, которая определяется составом металла шва и температурным интервалом фазовых превращений. При нагружении сварного соединения внешней нагрузкой повышается уровень напряжений в областях, в которых локальные микронапряжения совпадают по направлению с внешней нагрузкой. В таких местах микротечения создаются даже при низких значениях внешней нагрузки. Если остаточные микронапряжения малы, то для протекания микродеформаций необходимы большие внешние напряжения.

В результате микропластической деформации протекает релаксация локальных микронапряжений. В случае достаточной подвижности дислокаций (обусловленной пониженным содержанием углерода или повышенной температурой металла при нагружении) реализуется путь, приводящий к более однородному распределению остаточных микронапряжений под нагрузкой. Таким же путем, очевидно, протекает релаксация микронапряжений при отдыхе закаленной стали, приводящая к уменьшению локальных пиков напряжений, в результате чего повышается стойкость стали против замедленного разрушения. В условиях ограниченной подвижности дислокаций (из-за повышенного содержания углерода или низкой температуры металла при нагружении) релаксация происходит за счет образования дефектов (микротрещин), которые при последующем нагружен и и служат концентраторами напряжений и повышают опасность хрупкого разрушения.

В местах локальных микронапряжений могут возникать области объемного расширения кристаллической решетки - ловушки для водорода, что обусловливает неоднородное его распределение. Водород в свежезакаленном мартенсите располагается в основном у вершин крупных мартенситных игл и на границах зерен, а после отдыха распределяется более равномерно как на границах, так и внутри зерен. Повышение содержания водорода в свежезакаленном мартенсите и накопление его в областях объемного расширения могут понизить стойкость стали против замедленного разрушения.

Химический состав металла шва оказывает большое влияние на стойкость металла ЗТВ против замедленного разрушения. Основным фактором, влияющим на стойкость ЗТВ сварных соединений против замедленного разрушения, являются временные напряжения, которые образуются в металле шва и ЗТВ в результате их усадки в процессе охлаждения. Взаимодействие временных напряжений с напряжениями, вызванными фазовыми превращениями, способствует релаксации микронапряжений путем микроскопических сдвигов. Более высокий уровень временных напряжений в металле шва и ЗТВ при сварке аустанитными проволоками по сравнению с ферритноперлитными обусловливает более высокую стойкость ЗТВ сварных соединений из бейнитных и мартенситных сталей против замедленного разрушения.

Стойкость ЗТВ против замедленного и хрупкого разрушения зависит от скорости охлаждения сварных соединений. При ее повышении в ЗТВ образуются более напряженные структуры с ограниченной релаксацией микронапряжений путем микропластических сдвигов.

Наиболее простой и эффективный способ предотвращения холодных трещин - регулирование термического цикла сварки, а также использование в необходимых случаях предварительного подогрева. Оптимальные термические циклы сварки толстого металла с предварительным подогревом можно получить при использовании двух- или многодуговой сварки.

Испытания на склонность к образованию холодных трещин можно разделить на следующие группы:

1) предусматривающие использование реального процесса сварки жестких образцов (испытания с помощью проб «Теккен», STS, крестовой, RRC с принудительной жесткостью и др.);

2) механические с использованием установок ЛТП-2, ЛТП2-3, метода «Имплант»;

3) с имитированным термодеформационным циклом сварки на база установок «Терморестор», «Глибл», ЛТПЗ-6 и др.

Ламелярные трещины. Очагами возникновения ламелярных трещин преимущественно в ЗТВ или в основном металле при его нагружении в направлении, перпендикулярном толщине листа (по оси z), можно считать находяшиеся в значительном количестве и неравномерно распределенные неметаллические включения в стали, которые располагаются слоями по толщине проката. Ламелярное разрушение чаще всего возникает при сварке конструкций из листов значительной'толщины из конструкционных и аустенитных сталей. В аустенитных сталях очагами образования трещин (расслоений) могут быть строчки (прослойки) по толщине листа из карбидов и оксидов.

Эти трещины относятся к дефектам типа холодных трещин, хотя их образование может быть связано с процессами, протекающими в высокотемпературной области ЗТВ. Наиболее эффективная мера предупреждения образования ламелярных трещин - выбор стали с хорошими пластическими свойствами в направлении оси z.

При сварке сталей, склонных к образованию ламелярных трещин, в ряде случаев применяют предварительную облицовку кромок перед сваркой. Важное условие для предупреждения возникновения ламелярных трещин- выбор рациональной конструкции сварных узлов с целью уменьшения уровня напряжения по толщине.

Ультразвуковой контроль позволяет определить скопление включений, являющихся потенциальными источниками образования трещин при сварке. Наиболее часто проводят оценку пластических свойств листов в направлении толщины. Критерий оценки при использовании такого метода испытания - величина поперечного сужения. Пластичность ответственных конструкций должна быть не менее 30 %.

Отмеченные закономерности возникновения трещин при сварке и термической обработке позволяют трактовать их с общих позиций металловедения и прочности как проявление хрупкого разрушения в условиях релаксации (ползучести). Они возникают, когда запас пластичности при межзеренном разрушении соответствующего участка сварного соединения оказывается меньше деформации ползучести, накопленной в процессе сварки (горячие трещины), выдержки после нее (холодные трещины) или во время отпуска (трешины при термической обработке). Физические закономерности процесса образования и развития трещин на микроструктурном уровне могут быть различными для каждого вида разрушения, однако их общие признаки позволяют использовать единые феноменологические подходы, разработанные для условий межзеренного разрушения при ползучести.

СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ СОПРОТИВЛЯЕМОСТИ СТАЛЕЙ ОБРАЗОВАНИЮ ХОЛОДНЫХ ТРЕЩИН

Способы повышения сопротивляемости сталей перлитного и мартенситного классов трещинам направлены на устранение отрицательного действия основных факторов, обусловливающих их образование. В соответствии с этим способы можно разделить на группы.

1. Регулирование структуры металла сварных соединений тепловым воздействием путем повышения q/v, предварительным подогревом, сопутствующим нагревом и последующим отпуском. Эффективность различных способов связана с их воздействием на структурно определяющие параметры термического цикла; время пребывания при высоких температурах выше 900 °С (^> »оо)’ СК0Р0СТИ охлаждения при 550 и 300 °С (Ьш и w3QQ). Повышение qfv увеличивает t> 900 и уменьшает w550 и wzm в пропорциональной зависимости при многослойной сварке больших толщин и в квадратичной — при однопроходной сварке соединений малых и средних толщин. Предварительный подогрев в пределах 100—400 °С наиболее сильно воздействует на ш30о, а затем по убывающей степени на а>б30
и t> 900. Сопутствующий подогрев в основном замедляет Шзоо — Изменения t> 900

ю550 и ш30П по-разному влияют на структуру и сопротивляемость стали трещинам в зависимости от состава и характера ее сварочной анизотермической диаграммы превращения аустенита [24]. Для углеродистых и низколегированных сталей, не содержащих карбидообразующих элементов, с низкой устойчивостью аустенита при температурах перлитного превращения (стали 45, 20Г2, 18Г2ФА и др.) наиболее важным является показатель w650. Это объясняется тем, что практически для всех способов сварки, повышая q/v и вводя подогрев, изменением w-^o можно получить перлитную или заданную смешанную структуру, стойкую против трещин. Влияние t> 900 незначительно, так как связанные с ним процессы гомогенизации и роста зерна успевают завершиться за короткое время и не поддаются регулированию тепловыми воздействиями. Для среднеуглеродистых среднелегированных сталей, содержащих карбидообразующие элементы, с высокой устойчивостью аустенита при температурах перлитного и бейнитного превращения (ЗОХГСНА, 42Х2ГСНМА, 43ХЗСНМФА и др.), при сварке в широком диапазоне тепловых режимов характерно мартенситное превращение аустенита. Для этих сталей рекомендуется сопутствующий подогрев до температур несколько выше конца мартенситного превращения с целью уменьшения ш30о и обеспечения само-

отпуска мартенсита. Важным является уменьшение 909, поскольку высокотемпературные процессы замедлены в связи с наличием карбидов в исходной структуре и имеется возможность регулирования величины зерна и однородности аустенита. Поэтому рекомендуется применять концентрированные источники тепла и многослойную сварку и не рекомендуется предварительный подогрев. Для низкоуглеродистых среднелегированных сталей с повышенным содержанием никеля (12ХН4МДА, 18Х2НЗМДА и др.), имеющих высокую устойчивость аустенита при температурах перлитного превращения, при сварке в широком диапазоне тепловых режимов характерно превращение в области нижнего бейнита и частично в области мартенсита. Эти стали занимают промежуточное положение по сравнению с рассмотренными выше группами сталей. При их сварке рекомендуется умеренный подогрев до 100—150 °С, не вызывающий существенного увеличения t > 900 и вместе с тем понижающий ш550 с целью смещения бейнитного превращения в область более высоких температур и уменьшения количества мартенситной составляющей. Полезен сопутствующий подогрев для самоотпуска мартенситной составляющей и удаления диффузионного водорода из сварного соединения. Отпуск сварных соединений проводят главным образом для среднеуглеродистых среднелегированных сталей при температурах 300—650 °С. Важным является время начала отпуска после сварки, которое составляет от 0,5 до 2 ч. При назначении температуры сопутствующего подогрева и отпуска необходимо учитывать возможность развития процессов отпускной хрупкости и термического старения.

~2, Предварительная термическая обработка стали с целью получения в исходной структуре устойчивых коагулированных легированного цементита и специальных карбидов. Такой термической обработкой может быть отжиг на зернистый перлит при Т те Асг — 25 °С в течение 4—16 ч в зависимости от содержания углерода и карбидообразующих элементов [21]. Отжиг является эффективным способом повышения сопротивляемости трещинам для сталей, содержащих С >0,30%, и карбидообразующих элементов (Сг, Mo, W, V и др.) в сумме более 1%. При сварке замедленное растворение карбидов ограничивает рост зерна и снижает степень гомогенизации аустенита, что повышает начало превращения аустенита на 100—200 °С и обусловливает образование бейнитно-мартенситной структуры вместо мартенситной.

3. Применение сварочных материалов с возможно более низкой температурой кристаллизации металла шва [10, 22]. Выбор материалов рекомендуется производить по соотношению АТ = Тл. 0. м — Тс, м. ш (где Тл. 0. м и Тс. м. ш — температуры ликвидуса основного металла и солидуса металла шва соответственно). При завершении кристаллизации шва околошовная зона испытывает высокотемпературный перегрев вследствие выделения теплоты затвердевания. При применении свароч-

ных материалов с высокой Гс. м. ш перегрев приводит к полному расплавлению участка основного металла у линии сплавления протяженностью один—два зерна (см. рис. 21, в) и последующую полную его гомогенизацию. В результате в этой локальной зоне образуется напряженный низкотемпературный мартенсит без следов самоотпуска с очень низкой сопротивляемостью трещинам (рис. 30, а). При ДТ >80 °С отрицательное действие перегрева не проявляется и обеспечивается высокая сопротивляемость околошовной зоны трещинам. Лучше всех этому соотношению при сварке низко — и среднелегированных сталей удовлетворяют аустенитные сварочные материалы с большим запасом аустенитности типа 10Х16Н25М6 (ЭА-981/15, ЭА-395), а также высокопрочные легированные материалы типа 20Х2Г2НМВА (электрод Н-17), 15ХГ2МВ1А (электрод НИАТ-ЗМ). Для определения температур кристаллизации сталей рекомендуется метод термокинетического анализа применительно к дуговой сварке [8].

4. Снижение содержания водорода в наплавленном металле: 1) прокалкой электродов при 450—480 °С и флюсов при 500—900 °С в течение не менее 3 ч, осушением защитных газов, если их точка росы выше —55°, пропусканием их через осушитель, заполненный силикагелем или другими поглотителями влаги; 2) тщательной очисткой свариваемых кромок и сварочной проволоки от масла, ржавчины и конденсированной влаги; 3) применением при абсолютной влажности воздуха выше 12—14 г/м3 способов сварки, которые характеризуются минимальным захватом воздуха дугой; лучшими в этом отношении являются аргонодуговая и сварка под флюсом; 4) замедлением охлаждения сварного соединения путем сопутствующего подогрева и последующего отпуска при 200—300 °С.

5. Снижение уровня сварочных напряжений различными конструктивными и технологическими способами, в том числе проковкой, прокаткой и опрессовкой швов и сварных соединений.

Оценка склонности стали к образованию холодных трещин при сварке

Холодная сварка – это технологический процесс сварки давлением, суть которого заключается в пластическом деформировании соединяемых поверхностей без дополнительного нагрева внешними источниками тепла.

Холодная сварка базируется на пластической деформации металлов в месте соединения путем скольжения и/или при сжатии. Данный способ сварки осуществляется при отрицательных или нормальных температурах в результате схватывания - без диффузии. Преимущество холодной сварки заключается в том, что для ее осуществления не требуется мощного источника электрической энергии, чтобы нагреть свариваемые заготовки. При холодной сварке сварной шов не агреняется примесями и имеет высокую однородность, а также высокие показатели стабильности электрического сопротивления и коррозионной стойкости. Простота контроля режима сварки и процесса подготовки деталей, отсутствие вспомогательных материалов, тепловых и газовых выделений, способствуют возможности дистанционного управления процессом и его скорость делают холодную сварку высокотехнологичной, не требуют высокой квалификации сварщика- оператора. К основным недостаткам холодной сварки относятся следующие аспекты:

существенные расходы металла на величину припуска,
маленькая номенклатура свариваемых материалов.

Холодная сварка применяется в электротехнической промышленности для соединения медных и алюминиевых проводов. В электромонтажном производстве такая сварка применяется в процессе изготовления бытовых приборов. Одной из разновидностей холодной сварки является ультразвуковая сварка - сварка давлением, при которой используются ультразвуковые колебания.

К холодным трещинам относятся те, которые возникают после охлаждения сварного соединения. У таких трещин имеется блестящий кристаллический излом без следов высокотемпературного окисления. Для холодных трещин характерно наличие:

напряжений, составляющих менее 0,9 от значения кратковременной прочности металла при сварке,
инкубационного периода до образования трещины.

Определяющими факторами при образовании холодных трещин являются: повышенная концентрация диффузионного водорода в очаге зарождения трещины, наличие закалочных структур, а также повышенный уровень растягивающих сварочных напряжений первого рода. Способствуют появлению холодных трещин диффузионное перераспределение водорода и низкотемпературная ползучесть. Реализация низкотемпературной ползучести происходит посредством развития микропластической деформации приграничных участках зерен. Она обусловлена присутствием в структуре свежезакаленного металла краевых дислокаций, которые способны скользить, при относительно невысоких напряжений. Большая вероятность возникновения скользящих дислокаций в мартенсите после сварки. Действие водорода проявляется в виде снижения поверхностной энергии границ зерен, что в свою очередь способствует росту субмикротрещин и полостей.

Готовые работы на аналогичную тему

Оценка склонности стали к образованию холодных трещин в процессе сварки выявляется тремя основными способами:

расчетные методики,
машинные методы - механические испытания сварных образцов,
применение сварочных технологических проб.

Машинные методы и метод сварочных технологических проб являются экспериментальными и регламентируются ГОСТ 26388, которым определяются состав испытательных приспособлений, режим сварки, а также виды и размеры образцов. Расчетные методы оценки склонности образования голодны трещин основаны на взаимосвязи возникновения трещин с закаливаемостью стали при сварке, возрастающая c увеличением степени легирования металла и насыщением металла шва и зоны термического влияния сварного соединения водородом.

При склонности образования холодных трещин применяется металловедческий критерий - наличие закалочных структур в металле сварного соединения, которые вызывают увеличение твердости металла выше, чем допустимый уровень, также уменьшение ударной вязкости ниже, чем предельное значение, регламентируемые нормативными документами. Из-за того, что закаливаемость стали возрастает с увеличением степени ее легированности, склонность к образованию холодных трещин может быть оценена по значению эквивалентного углерода. 3ависимости, которые используются для расчета эквивалентного углерода отличаются друг от друга и применимы только к определенной группе сталей. В общем виде формула для расчета эквивалентного углерода выглядит следующим образом:

где С, Mn, Ni - массовые доли химических элементов; X - процент содержания химического элемента в сплаве.

Если значение Cx >= 0,45 %, то сталь считается склонной к образованию холодных трещин при сварке.

Холодные трещины при сварке

При проведении ремонтных процессов могут возникать холодные трещины при сварке. Это явление является локальным разрушением, которое относится к межкристаллическому типу. Оно образуется в сварных соединениях из-за того, что в них образуются сварочные напряжения. Если горячие трещины можно заметить еще во время процесса, то эти становятся заметными уже в самом конце, когда процесс произошел и металл охладился. На сварочном соединении становится виден блестящий излом, который прошел из-за температурного окисления.

Холодные трещины при сварке

Различные металлы являются более или менее склонны к образованию этого явления. Главным фактором здесь выступает наличие углерода. Конечно же, точной гарантии того, образуется трещина или нет, не может дать никто, но определенный процент зависимости здесь все же проявляется. Холодные трещины при сварке могут образовываться уже при температуре ниже 200 градусов Цельсия во время остывания металла. Это явление относится к распространенным дефектам, которые возникают при работе со средне- и высоколегированными сталями. В низколегированных материалах это также возможно, но о статистике возникает гораздо реже. Чаще всего трещины образуются не на самом шве, а возле него.

Виды трещин при сварке

Наиболее распространенным видом холодных трещин в сварных соединениях являются изломы. Отрывы встречаются не так часто и относятся к тем металлам, у которых имеется аустенитная структура. По своему месту расположения их разделяют на несколько подвидов:

Поперечные, которые располагаются перпендикулярно шву и имеют относительно небольшую длину;
Продольные, которые пролегают вдоль основного шва и имеют, как правило, достаточно большую длину;
В зоне термического влияния, что может находиться даже внутри металла и трудно обнаруживается визуальным осмотром.

Часто трещины образуются из микроскопических дефектов, которые под действием напряжения разрастаются в течение нескольких дней или часов. Сложных швах, таких как двухсторонние, вариантов размещений трещин становится больше. Самыми распространенными вариантами являются такие:

Поперечные;
Трещины, которые находятся внутри, или на соединении двух швов, верхнего и нижнего;
Подваликовая трещина, которая располагается на нижней кромке соединения сварочного металла и металла заготовки;
Продольная трещина на границе шва и металла.

Причины образования холодных трещин

Причины образования холодных трещин при сварке

В качестве распространенных причин образования можно выделить три основные фактора:

В зоне термического влияния или непосредственно в самом шве микроструктура металла должна быть сильно чувствительной к воздействию водорода. Такой восприимчивостью обладает мартенситная структура. Она образуется при сварке сталей повышенной прочности.
В зоне, где имеется термическое влияние, должен образовываться диффузный водород, который может проникать в околошовную зону на шве.
В зоне термического влияния также должно присутствовать растягивающее напряжение.

Таким образом, основная причина появления трещин – это водород. Он может попадать в шов из флюса, который покрывает электрод. Даже при использовании газовой сварки он может проникать в металл из защитных газов, неубранных загрязнений на сварочной проволоке и так далее. Активным источником этого элемента может стать ржавчина, но электродное покрытие в любое случае дает больше всего примеси.

Механизм образования холодных трещин

Холодные трещины при сварке образуются следующим образом. Непосредственно после окончания сварочного процесса металл на соединении испытывает временное влияние водорода. Это может помешать контролю качества полученного соединения. Образуется диффузия водорода в тех местах, где образуются шлаковые включения и поры. Здесь же атомный водород превращается в молекулярный. Когда водород переходит в молекулярное состояние, он скапливается в определенных местах и именно места его скопления создает высокое давление газа. Это и становится причиной того, что в металле появляются блестящие поры.

Особенность этого процесса состоит в том, что водород может перейти в молекулярное состояние только при низкой температуре. Если температура выше 200 градусов Цельсия, то этот элемент находится в металле в атомарном состоянии. Постоянное влияние водорода приводит к тому, то материал становится более хрупким, так что структурные превращения при таком воздействии становятся бесповоротными. Большая уязвимость приграничных зон является результатом того, что в них происходит довольно большое количество различных процессов. В этих местах распадаются карбиды и сульфиды, которые и без воздействия водорода усугубляют положение. В результате комплексного воздействия границы швов всегда проявляют первые признаки появления трещин.

Как предотвратить появление трещин

Разобравшись с тем, какие причины возникновения холодных трещин при сварке, стоит предпринять меры, чтобы избежать этого явления. Одним из способов является смена приемов при сварке. Также стоит просушивать электроды перед началом сварки, так как это помогает избавиться от водорода и уменьшает вероятность образования холодных трещин при сварке. При газовой сварке не стоит использовать проволоку, которая протравлена в соляной кислоте, так как она становится большим источником водорода. Если после проведения сварных операций шов еще подогревать некоторое время, то это поможет выведению водорода, что снизит вероятность его появления и образования последующего напряжения. Температуру подогрева стоит держать в пределах 100-200 градусов Цельсия, примерно, в течении получаса. Если происходит сваривание стали большой толщины, то лучше несколько раз прерывать этот процесс и прогревать шов, после чего продолжать работу. При большой толщине холодные трещины при сварке образуются чаще. При использовании электрической сварки можно использовать электроды, в которых имеется минимальное содержание водорода, что обеспечивает до 15 мл вещества на 100 г шва.

Читайте также: