Что вызывает возникновение горячих трещин в сталях

Обновлено: 27.04.2024

Трещины при сварке – это один из видов дефектов, приводящий к разрушению сварного соединения. Возникают такие элементы сразу после окончания накладки шва или впоследствии, по мере остывания металла. Каждый сварщик должен знать виды сварных трещин, причины их появления и методы устранения, а также предупреждения, чтобы создавать надежные соединения.

Виды трещин по форме и локации

Трещины при сварке могут иметь различную форму, ориентацию в материале и локацию. Различают следующие виды трещин:

продольные в шве (обычно длинные, иногда через весь стык);

поперечные в шве (зачастую короткие и зигзагообразные);

продольные в околошовной зоне (длинные и тонкие, как нитка, едва заметные);

поперечные в околошовной зоне (расходятся от краев шва по материалу заготовки);

поперечные внутри основного материала под швом (короткие);

продольные внутри толщи присадочного металла.

Порой наружные трещины могут образовываться в кратере, при завершении шва, если резко разорвать электрическую дугу. Тогда они расходятся «паутинкой» от центра и ослабляют «замок» сварного соединения. Если стык выполнялся «под воду», высокая вероятность протекания в этом месте. В конструкциях, где герметичность не важна, трещины ослабляют надежность соединения, влекут разрушение стыка, ускоряют разрыв шва.

Виды трещин по времени появления

Трещины в сварочном шве и околошовной зоне условно делятся по времени появления на горячие и холодные. Горячие возникают при температуре металла около 1000-1300 С, когда одни части начинают застывать, а другие еще остаются жидкими. Визуально их можно увидеть на красном металле шва и в темной околошовной зоне.

Холодные трещины образуются позже. Сразу после отрыва электрода, дуга гаснет и соединение выглядит целостным. Но потом слышится треск и появляются дефекты. Обычно это происходит при температуре детали 200-300 С.

Причины появления горячих трещин

Различают несколько причин возникновения горячих трещин при сварке:

Жесткая фиксация заготовок. Если детали плотно зафиксированы, то при нагреве от сварки и последующем остывании возникает напряжение, влекущее разрыв материала. Поскольку участки, где велась сварка, наиболее разогреты и мягче других, трещины возникают именно в них.

Включения посторонних веществ. В сварочную ванну попадают окислы (пленка с поверхности заготовки), краска, шлак, сера, фосфор, что делает сплав неоднородным. При кристаллизации вещества застывают с разной скоростью. В результате одни элементы уже твердые, а другие – жидкие. Последние рвутся от стягивания и усадки металла, приводя к трещинам. Особенно дефекты возникают из-за наличие кислорода и водорода.

Неправильные пропорции дополнительных легирующих элементов. Когда в присадочный металл добавляют хром, молибден, ниобий, бор и другие элементы для компенсации выгоревших, завышенные пропорции делают кристаллическую решетку отличной от основного материала, что вызывает разницу по твердости и температуре остывания, приводя к трещинам.

Разная температура плавления соединяемых деталей. При соединении углеродистой и малоуглеродистой стали, у которых температура плавления 1535 и 1300 С, один металл уже твердый, а второй – еще жидкий, поэтому появляются горячие трещины. Еще больше дефект проявляются при соединении чугуна со сталью (температура плавления чугуна 1147-1200 С). Этот же эффект будет, если сваривать две половинки чугуна обычными электродами для углеродистой стали.

Причины появления холодных трещин

Холодные трещины менее заметны, поскольку раскрываются не так сильно, как горячие. У них не широкая «паутина», а тонкие «ниточки». Зачастую образуется дефект из-за включения водорода, накапливающегося в определенных зонах. Он делает металл более хрупким, вызывая разрывы при остывании, когда заготовка достигает температуры 200 С. Среди других причин образования холодных трещин:

Малый диаметр электрода. Приводит к недостаточному количеству наплавленного металла. В результате шов получается тонкий и легко рвется от внутренних термических деформаций.

Низкая сила тока. Не позволяет достаточно глубоко проплавить место соединения. Шов получается поверхностным и трескается от напряжения.

Слишком узкий сварочный шов. Слабо захватывает стороны заготовки, поэтому когда они расходятся при остывании, нередко возникает трещина рядом со швом.

Быстрое охлаждение детали после сварки. Если после отрыва дуги сразу полить деталь водой, кристаллическая решетка не успевает полноценно сформироваться и возникает разрушение связей в структуре металла.

Внутренние напряжения. Когда деталь многократно нагревалась в одном и том же месте, внутри возникает напряжение. Оно возрастает, если остальные части конструкции были соединены перед сваркой с применением силы, а не сведены без усилий. Тогда, по мере остывания, возможны трещины как самого шва, так и прилегающей зоны.

Методы контроля сварного шва

После окончания сварки и остывания металла сварщик самостоятельно осматривает швы на наличие трещин. Для этого необходимо очистить соединение от шлака и пыли щеткой. Порой применяется обдув сжатым воздухом. Чтобы отличить риску наплыва металла от трещины, используют увеличительное стекло.

Остальные методы проверки применяются по необходимости, если того требуют условия выпуска продукции. Это может быть просвечивание швов рентгеновским излучением, которое покажет внутренние трещины, а не только наружные. Для трубопроводов, сосудов и других конструкций, по которым будет протекать жидкость или газ, применяется опрессовывание сжатым воздухом, проверка керосином или аммиаком. Все это помогает выявить скрытые трещины, поры и свищи.

Как устранить трещины

Если после сварки выявлена трещина в шве или околошовной зоне, необходимо выполнить подготовительные действия для ее устранения. Распространенная ошибка – просто наложить шов сверху. Это устраняет дефект лишь поверхностно и косметически. Внутри разрыв материала остается. В таком случае высокая вероятность, что соединение снова треснет при остывании или под нагрузкой.

Для начала нужно понять, что привело к дефекту. Если это разная температура плавления металлов, то используют другие электроды, обеспечивающие лучшую свариваемость и кристаллизацию веществ в месте стыковки. Когда причина в напряжениях, изделие предварительно прогревают при помощи резака, газовой горелки или паяльной лампы.

Стоит уделить внимание и самой трещине. Если дефект 10 см и более в длину, то, чтобы он не разошелся дальше, пока будет накладываться новый шов, необходимо зафиксировать края трещины. Для этого их засверливают на всю глубину стыка сверлом по металлу и дрелью. Далее нужна разделка трещины, выполняемая болгаркой и отрезным диском. Углубитесь кругом на 5 мм. Это создаст достаточно места для проплавления и заполнения новым присадочным металлом.

Концу шва уделяют дополнительное внимание. Важно настроить спад силы тока, чтобы сварочная ванна постепенно застыла, а кристаллическая решетка правильно сформировалась. Если возможности сварочного аппарата не поддерживают такие настройки, просто постепенно увеличивайте воздушный зазор. Электрическая дуга станет выше, а температура воздействия ниже.

Заканчивайте шов всегда на другом шве, создавая своего рода «замок». Здесь меньше вероятности образоваться кратерным трещинам. Некоторые опытные сварщики выводят конец шва на цельный металл (в бок, где не велась сварка), поскольку там сплошное сечение стали и гарантированно не появится сквозная трещина или свищ.

Как не допустить появления трещин

Важно изначально соблюдать режимы сварки и правильно готовить детали. Ведь устранение трещин ведет к потере времени, перерасходу материалов, удорожанию конечного изделия или снижению получаемой за его изготовление прибыли. Для предупреждения проблемы соблюдайте следующие рекомендации:

Подбирайте правильно сварочный ток и диаметр электрода. Сила тока и диаметр проволоки или электрода должны соответствовать сечению металла. Ориентировочная таблица по настройке аппарата в зависимости от пространственного положения шва и диаметра электрода присутствует на каждой упаковке расходных материалов.

Используйте присадочные материалы, соответствующие основному металлу заготовки. Для этого вникайте в состав проволоки и стержня электрода, обмазки. Для сварки нержавейки выбирайте электроды и проволоку для легированной стали. Чугун варится отдельными электродами со специальным покрытием. Для медных сплавов выпускают проволоку и прутки из меди. Если хотите сваривать алюминий, задействуйте электроды и проволоку для полуавтомата, рассчитанные для такого применения.

Подавайте в зону сварки флюсы с минимальным количеством серы и фосфора. Лучше использовать флюсы на кремниевой основе.

Выполняйте предварительный прогрев заготовок. Это уменьшит перепад температур между зонами, где будет вестись сварка и другими участками, предупредит деформацию и напряжение металла.

Разделывайте кромки толстых деталей. При сечении от 5 мм и выше снимайте фаску под 45⁰, чтобы стороны имели V или Y-образное соединение. Это увеличит глубину шва и площадь соприкосновения наплавленного и основного металла, повысив прочность стыка.

Варите многопроходными швами. Выполните несколько проходов на средней скорости. Это лучше, чем один высокий шов на медленной скорости. Допускается чередование ведения горелки или электрода в разные стороны при многопроходных швах, что только усиливает структуру наплавленного металла.

Не охлаждайте детали сразу после сварки водой, не бросайте их в снег или на лед.

К охлаждению водой прибегают, когда нет времени дожидаться естественного остывания и нужна дальнейшая сборка конструкции. Используйте для удержания горячих деталей сварочные рукавицы повышенной толщины или специальные приспособления для сварки. Есть много зажимов, позволяющих захватить круглую или профильную заготовку разных диаметров и присоединить ее к другой конструкции для сборки и прихватки. Магнитные фиксаторы помогут обойтись без посторонней помощи, ведь некоторые модели выдерживают до 34 кг.

Как сварить ГБЦ или блок ДВС без трещин

Трещины в головке блока цилиндров возникают, как правило, между седлами клапанов, и приводят к перепусканию картерных газов. Герметичность нарушается при резком перегреве и охлаждении ГБЦ, например в момент долива антифриза в работающий мотор. Блок двигателя может лопнуть в любом месте, если использовалась охлаждающая жидкость с небольшой температурой замерзания. Встречаются характерные повреждения при ДТП.

Чтобы заварить трещины ГБЦ или блока ДВС, необходим инвертор TIG, способный переключаться с постоянного тока на переменный. Обозначаются такие аргонодуговые аппараты как AC/DC и могут быть на 220 и 380 В. Именно переменное напряжение в аргоновой сварке вольфрамовым электродом обеспечивает разрушение высокотемпературной оксидной пленки снаружи алюминия и аккуратную сварку основного металла. При работе постоянным током качественно выполнить стык не получится.

Используйте присадочную проволоку для алюминия. Необходима разделка трещины отрезным кругом болгарки, чтобы увеличить глубину проплавления. Если повреждение имеет длину 1-2 см, можно сразу вести сварку после расшивки и обезжиривания. При более крупных трещинах ГБЦ необходим предварительный подогрев металла, чтобы снизить напряжение и температурные деформации. Тогда шов не лопнет по мере остывания.

Дождитесь охлаждения металла до 50-60 ⁰С, после чего приступайте к шлифовке, удаляя лишний металл. Обязательно опрессуйте блок, чтобы убедиться в герметичности. В случае ГБЦ некоторые перестраховываются и выполняют гильзовку каналов.

Правильно подготавливая металл под сварку и выбирая соответствующий режим, получится избежать трещин в шве. Используйте присадочные расходные материалы близкие по составу к основному металлу. Если трещина все же возникла, воспользуйтесь советами из этой статьи по ее удалению, а главное проанализируйте, почему образовался дефект, чтобы предупредить его появление в будущем.

Ответы на вопросы: борьба с трещинами в сварочном шве

Когда нет электроинструмента, трещину можно расшить при помощи зубила и молотка. Устанавливайте зубило не строго вертикально, а под наклоном 60-70⁰. Меняйте сторону наклона. Так получится вырубить канавку, куда будет затекать присадочный металл.

Трещина может появиться как при сварке покрытым электродом, горелкой полуавтомата, так и вольфрамовым электродом. Здесь больше сказывается состав основного и присадочного металлов, режим сварки, наличие внутренних напряжений, включения посторонних веществ с поверхности заготовки и пр.

Такое нередко бывает при сварке чугуна или нержавейки с неправильно подобранными электродами/проволокой. Замените расходные элементы, счистите болгаркой предыдущий наплавленный металл до основного. В случае чугуна прогрейте деталь паяльной лампой или газовой горелкой.

Металл шва более прочный и быстрее застывает, чем основной материал. Выберите менее тугоплавкий электрод или проволоку, хорошо очистите поверхность от краски, масла, ослабьте фиксацию детали.

Если при опрессовке через шов с трещиной не проходит жидкость, значит дефект не глубокий, а поверхностный. Но от вибрации, ударов, перепадов температур трещина может расти как в длину, так и в глубину, поэтому соединение лучше переделать.

Причины образования горячих трещин при сварке

Трещины – виды брака сварки, нарушение целостности металла. Разрывы шва или в околошовной области (зона термовлияния – ЗТВ) образуются из-за одновременного снижения пластичности, связанного с кристаллизацией, и внутренних напряжений.

Трещины, разрывы условно делят на две группы. Холодные возникают после остывания. Горячий дефект сварного шва или в ЗТВ формируется:

в процессе кристаллизации;
твердожидкой структуре;
твердом металле, нагретом до высокой температуры.

Горячие трещины при сварке узнаваемы по сильному окислению, они темного цвета. Разрушения чаще выявляют по границам структурных зерен. Несплошности формируются под действием нескольких факторов:

из-за неравномерности линейной и объемной усадок;
образования неорганических пленок;
формирования жидких прослоек при кристаллизации.

Способность к горячему растрескиванию зависит от величины и скорости нарастания кристаллитов, формирующих растягивающие напряжения, длительности процесса сварки.

Виды горячих трещин при сварке

Все виды несплошностей относятся к дефектам, отрицательно отражающихся на прочности соединений. Природа холодных и горячих трещин при сварке различная. Холодные появляются при остывании в результате возникающих внутренних напряжений. Горячие – следствие межкристаллических разрушений. Обычно имеют вид надрезов или несплошностей, различают макро- и микродефекты. Горячие трещины темного цвета (за счет окислов), извилистой формы. По локализации разделяются на две группы:

растрескивания в зоне термического влияния;
дефекты в металле сварного шва.

Околошовные бывают нескольких видов:

Кристаллизационные длинные, обычно раскрытые, не имеют заметных ответвлений. Зависят от двух параметров, влияющих на структуру стали:

формы затвердевания ванны расплава, с краев обычно образуются мелкие зерна, затем крупные столбчатые растут перпендикулярно оси;

размера угла между кристаллитами в поликристаллической структуре, они постепенно смыкаются.

Кристаллизационные горячие ратсрескивания бывают внутренними (выявляются методами неразрушающего контроля) и выходящими на поверхность, определяемыми визуально.

Ликвиационные горячие трещины связаны с неоднородностью химического состава. По виду мелкие, образуются в местах, где близко расположены столбчатые кристаллы. Зависят от химического состава, наличия тугоплавких легирующих элементов. Деформационная способность структуры также снижается за счет миграции примесей и загрязнений в пространство между зернами, формируются неметаллические включения. При кристаллизации легированных сталей тугоплавкие частицы становятся центром образования кристаллов.
Деформацонные, связанные с неравномерностью усадки.

Причины образования

Определить природу образования любых горячих трещин при сварке можно, зная механизм затвердевания металлов, способы формирования металлической структуры. Рассмотрим от чего появляются разрывы и несплошности.

Ликвиационные часто появляются при сварке:

Конструкционных сплавов, содержащих сульфиты. Растворяясь, неорганические соли формируют пленки в зоне термического влияния в районе границы зерен. Особенно склонны к формированию горячих трещин марки стали, содержащие S (серу), P (фосфор). Эти вредные примеси при сварке ухудшают качество швов.
Сплавы, в состав которых входит Ti (титан), Nb (ниобий), V (ванадий), W (вольфрам), Cr (хром), Mo (молибден) и другие легирующие металлы с низкой температурой отвердевания, при кристаллизации образуют дендриты разной формы. Легкоплавкие элементы кристаллизуются на стыке границ дендритов в последнюю очередь. Нарушаются межкристаллические связи, возникают структурные напряжения.

От величины первичных кристаллитов металлов зависит способность к образованию горячих трещин в процессе сварки. Скорость растягивающих напряжений зависит от температуры.

Из-за низкого относительного удлинения горячие трещины формируются при сварке аустенитных легированных сталей. При жесткой фиксации заготовок для сварки затрудняется структурная деформация.

Кристаллизационные формируются при неправильном выборе технологии, если не учитывается высокое содержание неметаллов и легирующих элементов. Когда превышены значения сварочного тока, возникают крупнозернистые области, приводящие к формированию внутренних напряжений между растущими кристаллитами.

К внешним причинам горячих растрескиваний относятся примеси, появляющиеся в структуре металла в процессе сваривания. Внутренние связаны с сегрегацией – неравномерным распределением микрофаз, легирующих присадок, примесей.

Методы предотвращения появления горячих трещин

Предупреждая образование горячих трещин, при разработке технологии учитывают особенности кристаллизации металлов. Основные способы снижения риска дефектов:

исключить жесткие соединения;
увеличить размер шовного валика при соединении толстостенных заготовок;
варить металл короткими участками, делая широкий шов;
при круговой сварке, соединении длинных заготовок оставлять детали подвижными максимальное время, заделывать концевые стыки в последнюю очередь;
не завышать ампераж;
делать много проходов с промежуточным отжигом;
внимательно проваривать корневую область, дефекты формируются именно там.

Важно фиксировать заготовки минимально, без зажима, следить за положением электрода. Детали должны быть хорошо подготовлены, чтобы исключить окалину, ржавчину, неметаллические включения. Электроды выбирают по типу металла, режиму сварки.

Как снизить вероятность возникновения

Чтобы снизить риск горячего растрескивания, важно проверять качество сварных заготовок. Некоторые внутренние дефекты формируются при кристаллизации расплава, нарушении технологии раскисления. Избежать горячих трещин при сварке можно, соблюдая температурный режим, следить за кристаллизацией шовного валика. Большое значение имеет соотношение концентрации серы и кислорода. Чем оно выше, тем лучше качество соединений. При снижении соотношения S/О на границе формирующихся зерен образуются пленки, которые, проникая в жидкую фазу, приводят к внутренним дефектам.

К способам устранения вредных факторов относятся:

Отжиг готовых соединений, изменяется структура зерен в шве, зоне термического влияния, становится однородной, устраняются внутренние напряжения;
некоторые металлы в процессе кристаллизации прогревают, чтобы снизить скорость охлаждения, минимизируется риск образования областей жидкой фазы внутри шва;
электроды предварительно прокаливают, детали предварительно нагревают (температура зависит от вида металла).

Требуется соблюдать требования, правила и нормативы, токовые режимы, скорость формирования шовного валика. При выборе оптимальной температуры нагрева технологи учитывают особенности химического состава сталей, алюминиевых и цветных сплавов.

Устранение трещины

Единственно возможный метод борьбы с горячими трещинами – снова проварить металл. До этого дефект вырезается. Технология регламентируется ГОСТ 5264-80 (ММА, MIG/MAG, TIG сварка), ГОСТ 1153-75 (сварка полуавтоматами и автоматами).

Реставрации подлежат участки, где обнаружены внутренние или внешние дефекты. Некоторые структурные нарушения в области термического влияния и сварного соединения устранить невозможно. Явный брак приходится вырезать участками полностью.

Зная причины образования горячих растрескиваний, специалисты тщательно подбирают электроды или присадочную проволоку, следят за технологией. Гораздо проще избежать дефектов, чем устранять их.

Виды и способы предотвращения горячих трещин при сварке

В процессе осуществления любой деятельности или производства изделия существует вероятность появления дефектов. Они могут появляться по причине нарушения технологии работы на любом этапе. Одни из самых распространенных дефектов — это горячие трещины при сварке. Нормативными актами установлены стандарты наличия тех или иных дефектов в готовом изделии. Для сварочного процесса также существует ГОСТы, устанавливающие нормативы работы, в том числе и сварочные дефекты. Они подразделяются на несколько групп:

горячие и холодные трещины при сварке
Подрезы
Непровар кромки, корня
Наплывы
Полости (газовые полости, свищи)
Поры
Твердые включения
Несплавления
Нарушения формы соединения
Брызги металла
Случайная дуга

Любой сварочный процесс должен осуществляться строго по правилам и нормативам. Любой дефект является последствием нарушения этих правил. Бывают трещины большого размера, которые видно невооруженным глазом. А бывают микротрещины, которые заметны только при пятидесятикратном увеличении. Несмотря на их маленький размер, они также опасны, как и большие.

Трещины подразделяются на горячие и холодные в зависимости от температуры сварки. Если шов варился при температуре более тысячи градусов,то они будут называться горячими. Если температура варки была ниже – холодными.

И холодные, и горячие трещины являются неустранимыми дефектами. При их наличии изделие будет считаться браком и не подлежит эксплуатации.

Какие бывают трещины?

Горячие и холодные трещины при сварке могут также подразделяться по другим основаниям. Они могут быть поперечными, продольными, радиальными и так далее.

Горячие представляют собой межкристаллические разрушения, которые возникают в самом сварочном шве либо возле него, в так называемой зоне термического влияния. Имеют вид несплошности или надреза. Они появляются при кристаллизации металла либо после остывания соединения. Они имеют темный цвет и извилистую форму.

Холодные представляют собой локальные разрушения и образуются при остывании металла, если сварка осуществлялась при температуре до 200 градусов. Холодная трещина появляется возле сварного шва и имеет на изломе светлый оттенок. Такие дефекты возникают при дуговой сварке стальных изделий большой толщины.

Горячие трещины, которые появляются около шва, в свою очередь, подразделяются на четыре вида:

Ликвиационные
Появляющиеся вследствие низкого относительного удлинения
Кристаллизационные
Появляющиеся по иным причинам

Первый вид дефектов появляется очень часто при работе с конструкционной сталью. В ее составе находится много разных включений, чаще это сульфиды. При плавлении некоторые из них растворяются в области термического влияния и превращаются в пленку. Она находится на границе зерен и снижает когезионную прочность изделия, по причине чего появляются горячие трещины. Появление этих дефектов при работе с низколегированной сталью вызвано присутствием легирующих элементов, таких как титан и ниобий. Ликвиационные дефекты довольно длинные, без ответвлений, более раскрытые.

Дефекты, появляющиеся вследствие низкого относительного удлинения, возникают только при сварке аустенитных сталей.

Кристаллизационные дефекты представляют собой короткие микротрещины. Наиболее характерны для гбц.

Меры по предотвращению возникновения холодных трещин

Все детали, использующиеся в сварочном процессе, должны быть предварительно нагреты до 250-450 градусов.
Нужно безоговорочно соблюдать все требования, правила и нормативы конкретного вида сварки, подбирать максимально оптимальную температуру нагрева.
Необходимо применять тот вид сварочного шва, который необходим в конкретном случае.
Остывание изделия должно происходить медленно и равномерно.
После окончания работ, в целях снятия напряжения в элементах проводят смягчающий отжиг.

Причины возникновения дефектов в виде горячих трещин бывают внешние и внутренние. К внешним причинам относится сегрегация элементов и окислов. Эти элементы не входят в состав свариваемого металла, а появляются вследствие использования вспомогательных примесей. Внутренние причины возникновения характеризуются влиянием присадочных материалов.

Сегрегирующие элементы не обязательно должны быть расплавлены, чтобы стать причиной появления горячей трещины. Они могут вызвать образование тонкой пленки, которая будет способствовать уменьшению прочности по границе зерен.

Как уменьшить вероятность появления горячих трещин?

Осуществлять контроль за металлургическими процессами, когда металл расплавлен.
Обеспечить оптимальный процесс раскисления металла.
При работе с серой нужно иметь ввиду, что она может стать причиной появления сульфидных пленок. Поэтому ей лучше взаимодействовать с марганцем.
Чтобы сера не оказывала негативного воздействия на появляющиеся дефекты, сварщик должен быть очень внимательным при кристаллизации сварного шва. Сера должна проходить слева от перитектической точки. В этой ситуации выделяется дельта-феррит, который лучше ее растворяет.

Причины образования горячих трещин

Наличие жидких прослоек.
Деформации, возникающие при укорочении детали.
Жесткая фиксация деталей при работе. Это препятствует возможности переместить элемент для правильного остывания. В результате появляются напряжения.
Варка с участием таких металлов, как вольфрам, титан, молибден и ванадий, может вызвать нарушение химических связей.
Присутствие «вредных» примесей в массе свариваемого металла: фосфора, серы.

Самая высокая вероятность возникновения деформаций в виде трещин присутствует, когда металл находится в жидком состоянии. Именно в этот момент примеси в массе металла мигрируют и происходит загрязнение пространства между зернами. Во время остывания также существует риск появления напряжений: в случае, когда усадка шва произведена неравномерно. Это является основанием появления поперечных горячих трещин.

Любая трещина – это результат невнимательности, несоблюдения технологии сварочного процесса, недостаточной осведомленности относительно состава материалов, подлежащих сварке.

Способы предотвращения их появления

Чтобы в процессе работы либо после остывания не появлялись ни горячие, ни холодные трещины, нужно предпринимать определенные действия:

Обеспечить не жесткую фиксацию элементов при работе.
Выбрать правильный размер шва в зависимости от толщины стенки трубы. В случае, если область соединения имеет слишком маленький размер по отношению к толщине изделия, то вероятность появления трещин очень высока.
Выбрать нужный режим сварки для конкретного вида материала, учитывая все нюансы и особенности.
Варить строго в соответствии с установленными нормативами, в том числе и соблюдая угол наклона наконечника.
Все детали перед сваркой должны быть надлежащим образом подготовлены.
Выбрать электроды, соответствующие типу и температуре сварки, не приобретать дешевые электроды.
Не допускать перегрев, используя силу сварного тока выше рекомендуемого для конкретного вида сварки.

Таким образом, чтобы избежать появления дефектов в виде напряжений и трещин нужно:

Принимать во внимание все особенности работы с конкретным металлом.
Увеличить ширину соединения при значительной толщине изделия.
Не допускать появление узких валиков.
Выполнять сплошные швы.

Заварка трещин

Помимо нормативов для сварочного процесса существуют также нормативы устранения дефектов. Они установлены в ГОСТах 5264 и 1153.
Трещины перед «заваркой» должны быть подготовлены. Подготовка включает в себя осмотр и определение их окончаний. Это происходит при нагреве газовой горелкой до температуры 100-150 градусов.
Окончания трещины нужно высверливать. При работе со сверлом центр отверстия должен совпадать с окончанием трещины, либо отступать от него примерно на 3-5 мм.
При невозможности высверлить трещину, она прожигается газовой горелкой.
Перед процессом заварки трещин, которые не выходят за кромки трубы, лучше немного подогреть горелкой области, расположенные за концами трещин.
Заварка трещины размером более 300 мм происходит обратноступенчатым способом.

Таким образом, существует определенный перечень причин образования горячих трещин при сварке. Чтобы избежать их появления, нужно знать все особенности материала, с которым вам предстоит работать. Варка металла с момента подготовки и до момента остывания уже готового изделия должна производится строго в соответствии с нормативами, установленными ГОСТами. Не все дефекты подлежат исправлению, поэтому лучше заранее быть осведомленным обо всех правилах и нюансах работы с тем или иным материалом.

Образование трещин в сталях

С точки зрения простого здравого смысла трещины в сварных соединениях невозможны: металл при выполнении сварного шва сначала жидкий, а затем при охлаждении - пластичный. Однако факторы (причины и следствия), обуславливающие образование сварного соединения являются также и факторами (условиями), образования трещин в нём, как-то: нагревание, плавление, кристаллизация, охлаждение в жёстком закреплении, структурные, фазовые превращения, внутренние напряжения, микро- и макро- неоднородности, и т.п. Появление (получение) сварного соединения без трещин скорее исключение, чем правило.

В любом сварном соединении (особенно при сварке плавлением), строго говоря, присутствуют трещины (хотя бы микро-), но в благоприятных условиях (в удачном случае) они схлопываются, а в неблагоприятных условиях - (в неудачном случае) - раскрываются - обнаруживают себя. Трещины в сварных соединениях классифицируют как показано на рисунке.

Способность материала сварного соединения воспринимать без разрушения деформации и напряжения, вызываемые термодеформационным циклом сварки, называется его технологической прочностью и является важнейшей характеристикой металла, подлежащего сварке.

Горячие трещины

Согласно теории технологической прочности сопротивляемость сварного соединения образованию горячих трещин определяется такими факторами:

а) пластичностью металла в температурном интервале хрупкости;
б) значением (величиной, протяженностью) температурного интервала хрупкости;
в) темпом температурной деформации сварного соединения.

Возникновение сварочных деформаций (и напряжений) обусловлено концентрированным местным нагревом при сварке и имеет место всегда. Это связано с тем, что нагреваемый объём металла при сварке всегда находится в закреплении соседними не нагреваемыми объёмами металла и вынужден претерпевать пластические деформации. Это, в свою очередь, при охлаждении приводит к возникновению силовых напряжений и дополнительных деформаций.

Деформации в твердом металле реализуются по известным механизмам: двойникования, внутризеренного скольжения (приводящего к появлению линий сдвига) и межзёренного проскальзывания, сопровождающегося появлением ступенек по границам зерен. В такой же последовательности возрастает роль этих составляющих деформаций при повышении температуры металла и уменьшении скорости деформации, причем с повышением температуры сопротивление деформации приграничных участков зерен падает более интенсивно, чем внутризеренных объемов, а запас межзеренной пластичности заметно ниже, чем внутризеренной. Поэтому при высоких температурах обычным является межзеренное разрушение при меньшей пластичности.

Горячие как кристаллизационные, так и подсолидусные трещины имеют межкристаллитный характер. Разрушение идет межзеренно, по границам зерен.

Режим сварки, определяющий температурное поле в свариваемом изделии, может привести к тому, что нерасплавленный металл, расположенный вне ванны, будет менять знак дополнительной деформации металла кристаллизующейся ванны (сжатия или растяжения) в различные моменты времени после прохождения рассматриваемого сечения сварочным источником тепла. Мягкие режимы сварки (с малой скоростью, при предварительном подогреве и пр.) с этой точки зрения являются более благоприятными, хотя на уровень пластичности кристаллизующегося металла они могут оказать как положительное, так и отрицательное воздействие.

Одним из наиболее надежных способов исключения горячих трещин в металле швов является выбор металла с повышенной стойкостью против таких разрушений. Это достигается либо повышением деформационной способности металла в области температур возможного возникновения трещин, либо обеспечением "залечивания" образующихся несплошностей подвижной жидкой фазой (легкоплавкими эвтектиками). Следует отметить, что увеличение содержания элемента в сплаве для повышения стойкости против образования трещин в шве (т.е. элемента, образующего легкоплавкую эвтектику) применимо далеко не всегда, так как такой сплав может обладать свойствами, недопустимыми с точки зрения эксплуатационных требований к конструкции. Например, при высоком содержании серы в стали можно исключить кристаллизационные трещины, но механические свойства таких швов окажутся весьма низкими.

Как технологический прием для исключения (ограничения) горячих трещин применяют предварительный подогрев (для низко и среднелегированных сталей), сварку на жестких режимах (для аустенитных сталей), а также выбирают режимы, обеспечивающие благоприятную форму шва, т.е. соотношение ширины и глубины шва (слоя шва). Так, при одном и том же составе металла швы с глубоким проплавлением при малой ширине (т.е. при малом значении b/h; рисунок а, более склонны к горячим трещинам, чем швы с отношением b/h = 1,5-3 – рисунок б).

Для оценки склонности металла швов к образованию горячих трещин существует ряд проб и методик. Технологические пробы основаны главным образом на установлении сравнительных характеристик по сопротивляемости металла швов, выполненных различными сварочными материалами в сопоставимых условиях (размеры и формы образца, режимы сварки и пр.). Количественные, методики основаны на получении при испытаниях сравнительных численных показателей сопротивляемости (или склонности) металла швов к образованию горячих трещин. Они осуществляются в виде серии испытаний с получением численного показателя стойкости, обычно скорости дополнительного принудительного деформирования свариваемого образца в период кристаллизации определенного участка сварочной ванны и последующего охлаждения.

Холодные трещины

В сварных соединениях как в металле сварных швов, так и в околошовных зонах ряда металлов образуются так называемые холодные трещины. Свое наименование они получили в связи с тем, что начало их появления фиксируется либо при относительно умеренных температурах (значительно более низких, чем температуры горячей обработки), либо при комнатной и более низкой температурах.

Наиболее типичными холодными трещинами в сварных соединениях являются поперечные трещины в металле швов, поперечные трещины вблизи границы сплавления в околошовной зоне, а также трещины, параллельные границе сплавления, так называемые отколы.

Обычно холодные трещины образуются в металле с недостаточно высокой деформационной способностью, особенно границ зерен, вызываемой закалкой и пластической деформацией при неравномерном охлаждении и фазовых превращениях. Холодные трещины образуются либо в процессе завершения охлаждения сварного соединения, либо через некоторое время после полного охлаждения (замедленное разрушение).

Образование холодных трещин в процессе продолжающегося охлаждения определяется накоплением пластических деформаций в связи с изменением размеров и формы неравномерно охлаждающегося свариваемого изделия.

Замедленные разрушения связаны с длительным действием поля собственных (сварочных) или создаваемых внешними силами напряжений такой величины, при которой продолжается процесс деформирования, хотя бы с весьма малыми скоростями. В случае наличия закаленного металла сопротивление деформации зерен (например, при мартенситной структуре) весьма значительно. Деформация в этом случае происходит только за счет менее упорядоченных границ зерен (зон металла, прилегающих к границам), главным образом за счет их сдвига. Сдвиги по границам, расположенным параллельно или под углом к направлению действия сил растяжения, приводят к концентрации напряжений (и стоку несовершенств кристаллического строения, дислокации) к границам зерен, расположенным перпендикулярно к растягивающим силам. Эта концентрация напряжений и ослабление таких границ скоплением несовершенств строения приводят к зарождению разрушения, наиболее вероятного в стыке границ этих зерен. Под действием напряжений эти микроразрушения развиваются в трещины, распространяющиеся уже в основном по телу зерен, хотя для некоторых сплавов, когда, например, этот процесс сопровождается и другими (старение и пр.), трещина и далее, после зарождения, распространяется в основном по границам зерен.

Наиболее характерными температурами возникновения холодных трещин при сварке закаливающихся сталей являются температуры, при которых уже произошел распад основной части аустенита, но может продолжаться распад остаточного аустенита. Обычно такими температурами являются 120°С и более низкие. Часто трещины образуются уже при комнатных температурах спустя некоторое время после окончания сварки (десятки минут, часы, а иногда и через более длительные промежутки времени).

В закаливающихся сталях образование ряда холодных трещин связано как с получением структур с низкими пластическими свойствами металла, так и с влиянием водорода, растворяющегося при сварке в жидком металле и затем поступающего и в околошовную зону.

Рассмотрим в этом отношении поведение водорода и его влияние на свойства стали при комнатной температуре. Водород, растворенный в металле либо в виде атомарного (Н), либо в виде протона (ТГ), имея весьма малую величину частицы, легко диффундирует в железе не только при высоких температурах, но и при комнатных. В связи с высокой концентрацией в металле шва, иногда значительно превышающей равновесную растворимость, водород диффузионно распространяется в области с его меньшей концентрацией. Такими областями являются наружная поверхность шва (с которой происходит удаление водорода в воздух), околошовная зона и далее основной металл, а также различные несплошности в металле (поры, пустоты и локальные несовершенства кристаллического строения металла). В результате такого перемещения водорода его общее количество в зоне термического влияния в определенных условиях может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от соотношения количества водорода, поступающего в нее в заданный отрезок времени из шва и удаляющегося из этой зоны в более глубокие слои основного металла. Одновременно часть водорода, поступающая в несплошности, ассоциируется в молекулы и перестает быть диффузионно-подвижной. Постепенно в таких несплошностях давление молекулярного водорода растет в связи с дальнейшим поступлением атомарного водорода и образованием новых молекул.

Методами борьбы с образованием холодных трещин при сварке закаливающихся сталей являются:

- уменьшение степени закалки металла при сварке;
- снижение содержания водорода в металле шва и околошовной зоне;
- снижение содержания водорода в околошовной зоне при металле шва, не склонном к образованию трещин.

Основным методом уменьшения возможности закаливаемости металла в сварном соединении, главным образом в околошовной зоне, является снижение скорости охлаждения после сварки, достигаемое практически либо увеличением погонной энергии при сварке, либо предварительным подогревом изделия. Увеличение погонной энергии при сварке, допустимо только в ограниченных пределах. Поэтому основным способом, радикально влияющим на изменение (уменьшение) скорости охлаждения металла при сварке, является предварительный подогрев свариваемого изделия.

Читайте также: