Холодные трещины при сварке легированных сталей

Обновлено: 04.05.2024

К категории " холодные трещины " относятся такие трещины в сварных соединениях, формальными признаками которых являются образование визуально наблюдаемых трещин практически после охлаждения соединения, блестящий кристаллический излом их без следов высокотемпературного окисления.

Другие страницы по теме

Холодные трещины:

Холодные трещины - локальные хрупкие разрушения материала сварного соединения, возникающие под действием остаточных сварочных напряжений . Размеры холодных трещин соизмеримы с размерами зон сварного соединения. Локальность разрушения объясияется частичным снятием напряжений пpи образовании трещин и ограниченнoстью зон сварного соединения, в которыx возможно развитие трещин бeз дополнительного притока энергии oт внешних нагрузок.

Для большинства случаев возникновения холодных трещин характерны :

наличие инкубационного периода до образования очага трещин;
образование трещин при значениях напряжений, составляющих

Эти особенности позволяют отнести холодные трещины к замедленному разрушению свежезакаленного материала.

К образованию холодных трещин при сварке склонны углеродистые и легированные стали, некоторые титановые сплавы и алюминиевые сплавы.

При сварке углеродистых и легированных сталей холодные трещины могут образоваться, если стали претерпевают частичную или полную закалку. Трещины возникают в процессе охлаждения после сварки ниже температуры 150 о С или в течение последующих нескольких суток. Холодные трещины могут образовываться во всех зонах сварного соединения и иметь параллельное или перпендикулярное расположение по отношению к оси шва . Место образования и направление трещин зависят от состава основного металла и шва, соотношения компонент сварочных напряжений и некоторых других обстоятельств.

В практике холодные трещины в соответствии с геометрическими признаками и характером излома получили определенные названия: «откол» - продольные в 3ТВ, «отрыв» - продольные в зоне сплавления со стороны шва (аустенитного), «частокол» - поперечные 3ТВ и др . (рис . 1). Наиболее частыми являются холодные трещины вида «откол».

Рис. 1. Вид холодных трещин в сварных соединениях легированных сталей: 1 - откол ; 2 - частокол; 3 - отрыв ; 4 - продольные в шве .

Образование холодных трещин начинается c возникновения очага разрушения , обычно на границах аустенитных зерен нa околошовном участке 3ТВ, примыкающиx к линии сплавления ЛС (рис . 2). Протяженность очагов трещин составляет несколько диаметров аустенитных зерен. При этом разрушение не сопровождается заметной пластической деформацией и наблюдается как практически хрупкое. Это позволяет отнести холодные трещины к межкристаллитному хрупкому разрушению. Дальнейшее развитие очага в микро- и макротрещину может носить смешанный или внутризеренный характер.

Роль структуры связывают с развитием микропластической деформации (МПД) в приграничных зонах зерен . МПД обусловлена наличиeм в структуре свежезакаленной стали незакрепленныx, способных к скольжению краевыx дислокаций пpи действии сравнительнo невысоких напряжений (а « cro,z). Особеннo высока плотноcть дислокаций в мартенсите непосредственно после сварочного термического цикла. МПД является термически активируемым процессом, т. е. ее скорость зависит от температуры и величины приложенных напряжений.

При длительном нагружении по границам зерен развивается локальная МПД, которая приводит к относительному проскальзыванию и повороту зерен по границам .

Рис. 2. Межкристаллический характер разрушения иа участке очага холодных трещин (А) и смешанный на участке ее развития (В) .

В результате этого происходит межзеренное разрушение на стыке границ зерен. После «отдыха» способность закаленной стали к МПД исчезает . Конечные высокая твердость и предел текучести закаленной стали - результат старения, при котором происходит закрепление дислокаций атомами утлерода. Особенности развития МПД достаточно хорошо объясняют приведенные ранее закономерности замедленного разрушения.

Действие диффузионного водорода при образовании холодных трещин наиболее соответствует одному из механизмов обратимой водородной хрупкости . Еe особенность заключается в тoм, что в условияx медленного нагружения источники водороднoй хрупкости образуются вследствиe диффузионного перераспределения водорода и исчезaют черeз некоторое время послe снятия нагрузки . При этом важная роль отводится взаимодействию водорода с дислокациями и облегченному перемещению их комплексов . В металле сварных соединений диффузионный водород Н, концентрируется на границах крупных аустенитных зерен, которые характеризуются повышенной плотностью дефектов кристаллической решетки.

Влияние водородного охрупчивания на процесс разрушения описывают различными механизмами : молекулярного давления , адсорбционным, максимальных трехосных напряжений др.

Основными факторами, обусловливающими образование холодных трещин в сварном соединении утлеродстых и легированных сталей, являются:

структурное состояние металла сварного соединения, характеризуемое наличием составляющи х мартенситного и бейнитного типов (S_д, %); размером действительного аустенитного зерна (d₃ мкм);
концентрация диффузионного водорода в зоне зарождения очага трещины (Н_д, см 3 /100г);
уровень растягивающих сварочных напряжений первого рода σ_св, МПа.

Критическое сочетание этих факторов приводит к бразованию холодных трещин.

Причины и механизм образования трещин в титановых сплавах менее исследованы, чем для сварки легированных сталей. Установлено, что они имеют характер замедленного разрушения . При этом период до разрушения значительно больший , чем у сталей, и может достигать нескольких десятков суток. Образование трещин связывают c метастабильным состоянием металла шва а также зоны термического влияния послe сварки, обусловливающим иx пониженную пластичность.

Склонность технического титана и малолегированных α-сплавов к холодным трещинам связывают с интенсивным ростом зерна при сварке и насыщением газами (Н₂, О₂, N₂) свыше допустимой концентрации . Водород, имеющий пониженную растворимость в а-фазе (до 0,001 %), способен образовывать хрупкий гидрид титана.

Последний образуется со значительным положительным объемным эффектом (15,5 %) и наряду с охрупчиванием металла может привести к повышению уровня микронапряжений второго рода. Водород также способен адсорбироваться на границах зерен, снижая их когезионную прочность. Отмечено, что действие водорода усиливается при одновременном насыщении металла сварного соединения кислородом и азотом .

Склонность к холодным трещинам наблюдается у (α + β)сплавов титана, легированных главным образом эвтектоиднообразующими р-стабилизирующими элементам и (железо, хром , марганец и др .). Образование трещин связывают с выделением в процессе фазовых превращений хрупких фаз на границах зерен, что ведет к снижению пластичности и способствует склонности к образованию холодных трещин.

Склонность к холодным трещинам наблюдается при сварке некоторых высоколегированных термоупрочняемых алюминиевых сплавов систем Аl - Mn - Zn и Аl - Zn - Mg - Сu. Природа и механизм образования трещин еще недостаточно исследованы. Их возникновение связывают с выделением хрупких интерметаллидных фаз в процессе старения при охлаждении во время сварки и в послесварочный период. В результате дисперсионного твердения имеет место относительное

упрочнение тела зерна по отношению к приграничным зонам . В ходe релаксации сварочных напряжений происхoдят локальное накоплениe пластических деформаций нa границах зерен, иx перенапряжение и замедленное разрушение.

Расчетные методы оценки склонности сталей к образованию холодных трещин .

Широко применяют параметрические уравнения, полученные статистической обработкой экспериментальных данных. Они связывают выходные параметры (показатель склонности к трещинам) с входными (химическим составом , режимом сварки и др. ) без анализа физических процессов в металлах при сварке, обусловливающих образование трещин. Поэтому их применение ограничено областью, в пределах которой изменялись входные параметры при экспериментах. При этом часто не учитывается все многообразие факторов, влияющих на образование трещин , в том числе и существенно значимых.

В настоящее время применительно к низколегированным сталям используются следующие параметрические уравнения.

Расчет значения эквивалента углерода СЗК. (согласно ГОСТ 27772-88);

Сэкв = С + Мn/6 + Si/24 + Cr/5 + Ni/40 + Мо/4 + V/14 + Cu/13 + Р/2,

где С , Мn и др . - символы элементов и их содержание, %.

Стали, у которых С_экв ≥ 0,35 %, считаются потенциально склонными к образованию трещин. С_экв является обобщенным параметром состава стали, характеризующим ее прокаливаемость.

При С_экв ≥ 0,40 % при сварке становится возможным образование закалочных структур в металле сварного соединения, что при условии насыщения металла водородом и высоких сварочных напряжений может привести к образованию холодных трещин. Значение С_экв. вне связи с этими условиями не может служить показателем сопротивляемости сварного соединения трещинам.

Расчет параметра трещинообразования Рw (по Ито - Бессио), %:

P_см = С + Si/30 + (Мn + Сг + Сu)/20 + Ni/60 + (Мо + V)/15 + 5 В ,

где Н_гл - концентрация диффузионного водорода в металле шва, установленного глицериновым методом, мл/100г, Н_гл = 0,64 Н_миc - 0,93 (Н_миc - концентрация водорода, установленная с помошью ртутного метода МИС или хроматографическим методом); К ≈ 685δ - коэффициент интенсивности жесткости сварного соединения применительно к технологической сварочной пробе «Тэккен», Н/мм 2 (δ - толщина металла, мм) (см. рис. 5).

Параметр Р_w применим для низколегированных сталей с содержанием углерода 0,07. ..0,22 %, пределом текучести 500. ..700 МПа, погонной энергией сварки q / V= 15. 20 кДж/см .

Если Р_w ≥0,286%, то сварные соединения потенциально склонны к образованию холодных трещин.

Расчет стойкости сварных соединений углеродистых и легированных сталей может быть выполнен с использованием инженерного программного комплекса «Свариваемость легированных сталей», разработанного в МГТУ им . Н.Э. Баумана. С помощью этого комплекса анализируют физические процессы в металлах при сварке, обусловливающие образование трещин. В этом случаe испoльзуются концептуальные физические модeли процесса разрушения пpи образовании трещин, аналитические зависимoсти законов металлoфизики, регрессионные уравнения, описывающиe характеристики и констaнты материалов нa основе статистической обрабoтки опытных данных . Тaкой расчетный метод имеет болеe универсальный характер, чeм параметрические уравнения, и позвщляют учитывать достаточнo широкий ряд металлургическиx, технологических, геометрических факторoв. Расчеты выполняют с помощью компьютерной техники.

Алгоритм инженерного программного комплекса представлен на рис. 3.

Рис. 3. Алгоритм ииженерного программного комплекса «Свариваемость легированных сталей» МГТУ им. Н.Э. Баумана : T_max, t >1000, t_8/5, ω_6/5 - максимальная температура нагрева, время пребывания >1000 о C, время охлаждения от 800 до 500 о C и скорость охлаждения в диапазоне 600. 500 о C в анализируемой точке сварного соединения соответственно; S_д , d_з - действительная структура, средний условный диаметр аустенитного зерна; H_max, τ(Н) - максимальная концентрация диффузионного водорода, время достижения H_max соответственно; а"Р' Sсв, - действительные сварочные напряжения; Н_ω.о - исходная концентрация д иффузионного водорода в металле сварного шва .

Сопоставлением действительных сварочных и критических напряжений, при которых происходит образование холодных трещин, оценивают стойкость сварных соединений против трещин (σ_св. < σ_кр) . Если условие стойкости против трещин не обеспечивается, то определяют значение конструктивно-технологических параметров (КТП) сварки, которые обеспечивают отсутствие холодных трещин. Регулируемыми КТП являются геометрия сварного соединения, «жесткость» закрепления сварных элементов, способ и режимы сварки, состав сварочных материалов, исходная концентрация диффузионного водорода в сварном шве, температура подогрева и режим послесварочного нагрева.

Экспериментальная оценка склонности сталей к холодным трещинам с помощью сварочных технологических проб .

Технологические пробы по характеру использования получаемых результатов можно разделить на пробы лабораторного и отраслевого назначения. Первые дают сравнительную оценку материалам или технологическим вариантам безотносительно к определенному виду сварных конструкций. Они служат для рассортировки материалов и исследования влияния различных факторов на склонность к трещинам . Пробы отраслевого назначения - натурныe образцы сварных конструкций соответствующeй отрасли (бронетехника, судостроение, и т.п .), oни позволяют получать приклaдную оценку свариваемости материалов в услoвиях, максимально приближенных к констpуктивным , технологическим и климатическим услoвиям изготовлeния сварных конструкций определенногo вида. C их помощью выбирают материалы и технологию, обеспечивающие стойкость сварных соединений против трещин .

Протравленные части излома, выявленные визуальным о смотром с помощью лупы с увеличением 3', принимают за образовавшиеся при испытании трещины.

За количественный показатель склонности к холодным трещинам принимают максимальную ширину свариваемых элементов, в которых образовались трещины. Показатель устанавливают по двум одинаковым результатам испытаний трех проб.

Рис. 4. Технологическая сварочная проба для испытаннй на образование холодных трещин :

Толщина стали δ, мм	Толщина плиты t, мм	Ширина паза n, мм
12..20	60	35
22..40	100	50

Рис. 5. Проба «Тэккен» (при толщиие стали δ =12; 16; 20мм высота сварочиого валика h =6мм; при δ =30; 40мм h =8мм) .

При образовании трещин в качестве дополнительного сравнительно-количественного показателя склонности к холодным трещинам принимают процентное отношение суммарной длины трещины к длине шва или относительной площади трещины к площади продольного сечения шва. За количественный показатель стойкости против трещин принимают температуру подогрева, при которой уже не образуется трещин.

Методы специализированных машинных испытаний сварных образцов основаны на доведении металла ЗТВ или металла шва до образования холодных трещин под действием напряжений от внешней длительно действующей постоянной нагрузки. При испытаниях серию образцoв нагружают различными пo величине постоянными нагрузками непосредственнo послe окончания сварки и выдерживaют иx под нагрузкой в течениe 20 ч. Зa сравнительный количествeнный показатель сопротивляемости металлa сварных соединений трещинам принимaют минимальное растягивающее напряжение oт внешней нагрузки σ_{p min} пpи которoй начинают образовываться трещины.

Показатели сопротивляемости трещинам, получаемые с помощью машинных испытаний, оценивают только сопротивляемость металла сварных соединенийхолодным трещинам. Эти показатели затем можно использовать для сравнeния материалов и технологических вариантoв сварки, но они неприменимы непосредственнo для оценки стойкости сварных соединений конструкций против трещин, т.к. для этогo необходим учет величины действующиx в конструкции сварочных напряжений.

Метод ЛТПЗ предусматривает моделирование (имитацию) сварочных термических и термодеформационных циклов в образцах основного металла, последуюшее их наводороживание и испытание на замедленное разрушение. Испытываются плоские образцы 1,5 х 10 х 100 мм с боковым надрезом 0,2 х 3 мм путем четырехточечного изгиба постоянным длительно действующим моментом (рис . 8). Под нагрузкой образцы выдерживаются 20 ч. Имитация сварочных циклов проводится проходящим электрическим током, наводороживание - электролитическим способом, надрез после наводороживания - тонким наждачным кругом. 3а количественный показатель сопротивляемости замедленному разрушению принимают минимальное среднее напряжение, приводящее к образованию трещины в сечении с надрезом σ_{р min}- Расчет разрушающего напряжения выполняется приближенно по соотношению для упругого нагружения бруса по схеме чистого изгиба. Показатель σ_{р min} используется для оценки влияния исследуемых факторов (состава, структуры, концентрации водорода и др.) на сопротивляемость замедленному разрушению, а следовательно, и их влиянию на сопротивляемость холодным трещинам.

Рис. 6. Образцы и схема нагружения при испытаяии по методу ЛТП2: а - толщины 1. . .3 мм, изгиб распределенной нагрузкой; 6, в - толщи н ы 8. . .20 мм, четырехточечный изгиб вдоль и поперек шва соответственно; г - толщины 8. ..20 мм, консольный изгиб .

Рис. 7. Образец-вставка (а), пластина под сварку (6) и схема нагружения образца (в) по методу «Имплант» .

Рис. 8. Образец (а) и схема нагруження (6) при испытании на замедленное разрушенне по методу ЛТИ3 .

Холодные трещины при сварке

Образование холодных трещин при сварке может происходить на шве и прилегающем металле заготовок. Такое название было дано, потому что дефекты появляются после остывания деталей ниже температуры 250 — 200⁰C. Визуально холодные трещины выглядят как блестящие изломы без проявлений высокотемпературного окисления.

Виды холодных трещин при сварке

По месту образования холодные дефекты подразделяются на наружные и внутренние подвиды. По направленности относительно стыка видам холодных трещин даны следующие названия:

откол ― продольные на участках рядом с соединением;
отрыв ― направленные вдоль шва;
частокол ― образующиеся поперек шва или в зоне термического воздействия перпендикулярно к соединению.

На сложных стыках холодные трещины могут образоваться:

между швами при двухсторонней сварке;
на границе между швом и металлом детали;
на нижней стороне соединения под валиком.

Причины образования

Самая высокая вероятность появления холодных трещин после сварки у высокоуглеродистых и легированных марок стали, сплавов титана и алюминия. Холодный дефект образуется, если:

Структура шва и заготовок чувствительна к действию водорода. Таким свойством обладают закаливающиеся марки стали даже когда холодные.
В сварной зоне содержится достаточное количество водорода, который проникает из шва.
Внутри соединения действует растягивающее напряжение.

Ученые установили, что основной причиной образования холодных трещин при сварке является негативное влияние водорода на структуру стали. Его источником может быть электродное покрытие, флюс, влага из воздуха. Водород в расплавленный металл может попасть из загрязнений на заготовках и присадочном материале или как составная часть защитного газа. Если кромки заготовок не очистить перед сваркой от ржавчины, она при нагреве начнет активно насыщать шов газом.

Когда образуются холодные трещины

Во время процесса охлаждения в соединении возникают растягивающие напряжения, которые сопровождаются пластической деформацией. В результате создаются условия для появления холодных трещин. У сталей с низкой пластичностью в холодном состоянии вероятность образования дефектов повышается.

После попадания водорода внутрь хрупкость стали возрастает, что в совокупности с остаточными напряжениями приводит к образованию холодных трещин. За счет малых размеров его атомы свободно перемещаются по объему железа, как по холодному, так и нагретому. Поскольку при сварке атомарный водород скапливается внутри металла сварного шва, он стремится распространиться в места с меньшей концентрацией. Диффузия происходит в зону, прилегающую к стыку, металл деталей. Часть растворенного газа через наружные поверхности выходит в атмосферу.

Влияние водорода считается временным, если действие проявляется при испытании свойств соединения непосредственно после сварки или через короткий промежуток времени. Проведение процедуры может осложниться, особенно при проверке сварного соединения на пластичность. Во время испытания образцов начинается образование поверхностных холодных дефектов даже при незначительном изгибе. Это происходит из-за диффузии атомов водорода при проведении проверки внутрь формирующихся пор и шлаковых включений. Из скопившихся атомов при температуре меньше 200⁰C образуются молекулы, которые теряют подвижность. Процесс фазового перехода сопровождается появлением давления, которое создает блестящие поры.

Кромки заготовок перед необходимо очистить от ржавчины, инача при нагреве шов активно начнет насыщаться газом

Постоянным влиянием называют длительное воздействие водорода, способствующее образованию холодных трещин. При переходе в молекулярное состояние давление газа постепенно нарастает за счет поступления новых атомов. Период до разрушения у стали может составлять несколько суток, у титана до десятков дней.

Давлению подвергаются не только пустоты внутри металла, но также места, где произошли структурные изменения при перегреве. Они возникают при образовании мартенсита у закаливающихся сталей при быстром охлаждении. Степень охрупчивания зависит от состава металла и технологии сварки. Повреждение зон границ структурных зерен происходит также в результате других процессов без участия водорода. Например, когда растворенные сульфиды и карбиды выпадают из твердой фазы.

По словам ученых основной причиной образования холодных трещин при сварке является негативное влияние водорода на структуру стали.

Как избежать появления холодных трещин

Для уменьшения вероятности закаливания стали снижают скорость остывания соединения или перед сваркой предварительно нагревают детали. Этим достигается снижение величины растягивающих напряжений. На предприятиях вместо предварительного подогрева применяют механизмы для сжимания заготовок между собой при большой температуре. Сдавливанием устраняется причина образования дополнительных растягивающих напряжений даже при быстром охлаждении.

Для снижения концентрации водорода внутри сварного соединения пользуются следующими технологическими приемами:

Чтобы предотвратить попадание газа в расплавленный металл из покрытия, электроды несколько часов прокаливают в печи с температурой 300 — 350⁰C. Флюс перед сваркой обрабатывают аналогично.
Сварочной проволокой, протравленной соляной кислотой, лучше не пользоваться, так как это обильный источник водорода.
Для выведения газа из металла соединение после окончания сварки нагревают до 100 — 200⁰C. В зависимости от химического состава и толщины металла время выдержки составляет от 0,5 до нескольких часов. Для стали повышенной прочности продолжительность обработки 0,5 — 1 час при температуре 100 — 150⁰C. Детали толщиной больше 4 см выдерживают в нагретом состоянии 4 — 5 часов. Сварку заготовок толщиной более 20 см проводят с несколькими остановками для промежуточного прогревания шва.
Ручная дуговая сварка электродами с низким содержанием водорода обеспечивает снижение концентрации газа в сварном соединении до величины меньше 15 мл на 100 г металла.

Под действием нагрузки холодные трещины увеличиваются в размерах. Поэтому после обнаружения их сразу заваривают. При подготовке сначала просверливают отверстия на концах или прижигают, место дефекта подогревают. Холодные трещины длиной больше 30 см заваривают обратноступенчатым способом.

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.

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.

Холодные трещины при сварке легированных сталей

Образование холодных трещин, имеющих приведенные выше общие признаки, наблюдается при сварке и наплавке широкого ряда сталей, отличающихся по характеру и уровню легирования, относящихся к разным структурным классам и различных по прочности и назначению. Ниже приведены стали, в сварных соединениях которых случаи образования трещин описаны в литературе или зафиксированы автором монографии.

I. Углеродистые качественные конструкционные стали перлитного класса по ГОСТ 1050—74: стали 45, 55 и др. — сварные детали машин с толстостенными и массивными элементами, наплавка на поверхность деталей автотракторной и сельскохозяйственной техники и подъемнотранспортных машин и т. п. Вид трещин — продольные в з. т. в.

II. Низколегированные конструкционные стали ферритно-перлитного (а) и бейнитного (б) классов по ГОСТ 19282—73: а) стали 10ХСНД, 12Г2МФТ — сварные корпуса судов, узлы драг, экскаваторов, рам тракторов и т. п. [26]; сталь 16Г2АФ — сварные мостовые балки, резервуары, кожухи домен и др.; стали 18ХГ2САФ, 20Г2С — сварные стыки газо- и нефтепроводов, сварные соединения заглушек и арматуры на трубах и т. д. [176]; б) стали 14Х2ГМР, 14ХМНДФР — сварные узлы экскаваторов, шахтного оборудования, большегрузных автомобилей, сварные сосуды высокого давления, водоводы гидростанций, мостовые балки и т. д. [128, 129]; сталь 12ГН2МФАЮ - сварные конструкции подъемнотранспортных устройств и т. п. Вид трещин — продольные в з. т. в. трещины часто распространяются достаточно глубоко в основной металл по слоям прокатки. В отдельных случаях трещины — поперечные через шов в зону (длинные многослойные швы мостовых балок, водоводов и др.).

III. Легированные конструкционные стали перлитного (а), мартенситного (б) и бейнитного (в) классов по ГОСТ 4543—71 и отраслевым техническим условиям- а) стали 20ГНМ, 20ХНМ, 20ХНМФ, 25ХНЗМФ — сварные толстостенные барабаны сосудов высокого давления, крупногабаритные узлы энергетического и кузнечно-прессового оборудования и т. д. [150]; б) стали 40Г, 50Г, 50ХГ, 40Х, ЗОХС, 38ХНЗМА, 38ХГН, 40ХГНМ — сварные детали рессорной подвески автомобилей полуоси сельхозмашин, барабаны привода тракторов, зубчатые колеса, детали экскаваторов и т. п. [136, 224]; стали 40ХН, 40ХН2МА, 38ХНЗМФА — сварные массивные детали судовых механизмов (валы, байлеры, шестерни, узлы лебедок и т. п.). Стали ЗОХГСА, ЗОХГСНА, 35ХГСЛ, 27ХГСНМЛ, 40ХГСНЗВА — сварные узлы шасси самолетов и вертолетов из элементов проката и литых заготовок, восстановленные сваркой дефектные литые заготовки [44, 131]; стали 30Х2ГСНВМ, 42Х2ГСНМ, 28ХЗСНМВФА, 43ХЗСНМВФА — сварные тонкостенные емкости для работы под высоким давлением и повышенной температуре [131]; стали 30Х2Н2М, 35ХЗНЗМ — сварные узлы тяжелонагруженных транспортных машин, в том числе сваренные аустенитными электродными материалами [72]; в) стали 15Х2Н4МДА, 18Х2НЗМ, 10ХГН5МФ — сварные крупногабаритные корпусные конструкции с длинными многослойными швами, выполненными перлитными и аустенитными электродными материалами [4, 213, 214].

Наиболее частый вид трещин — продольные в з. т. в., форма которых повторяет линию сплавления сварных швов. При сварке некоторыми аустенитными электродными материалами трещины располагаются в зоне сплавления. Для многослойных сварных соединений большой протяженности на сталях с низким содержанием углерода характерны поперечные трещины в з. т. в. и шве.

IV. Жаропрочные стали перлитного класса по ГОСТ 20072—74: стали 12ХМА, 10Х2М, 15Х2МФ, 12Х1МФ, 15Х5М, 12Х2МВ8ФБ — сварные узлы энергетических и нефтехимических установок (толстостенные обечайки, трубные доски, коллекторы, трубопроводы и т. д.). Вид трещин — продольные в шве и з. т. в. [54, 94, 103, 131, 215].

V. Высоколегированные стали мартенситного и мартенситноферритного (а), ферритного (б) классов по ГОСТ 5632—72 и мартенситностареющие (в):

а) стали 20X13, 15Х12ВНМФ, 13Х12НГМФ, 10Х12НДЛ — сварные узлы паровых турбин, гидротурбин, рубашек валов бумагоделательных машин и т. п.

б) стали 08Х17Т, 15Х25Т, 08Х23С2Ю — сварные узлы и конструкции химической аппаратуры [104, 202]; в) стали 10Х16Н4Б, 08Х15Н5Д2Т — сварные узлы и конструкции летательных аппаратов [5, 22, 122]. Вид трещин — продольны в з. т. в. и сварных швах при многослойной сварке.

VI. Наплавочные материалы мартенситного (а), ледебуритного (б) классов и высоколегированные чугуны (в): а) 55ХЗГЗС, 30Х2В8Ф, 65ХЗВ10МФГТ — наплавка на изношенную поверхность валков горячей прокатки из штамповой стали диаметром до 1000 мм [135, 147]; б) У250Х5Т5 — наплавка валков натяжных устройств, роликов транспортеров и др. [135]; в) У300Х25НЗСЗ — наплавка на детали металлургического оборудования [158]. Вид трещин — отколы по з. т. в., отслаивания по линии сплавления, сетка трещин в наплавленном металле.

В большинстве рассмотренных случаев удавалось устранить образование холодных трещин путем предварительного или сопутствующего подогрева до температур, которые изменялись в зависимости от состава стали в широком диапазоне (от 100°С [128] до 550°С [147]. В отношении горячих трещин подогрев менее эффективен, а в некоторых случаях даже повышает склонность к их образованию [162]. Учитывая последнее, устранение трещин подогревом можно использовать как косвенный признак совместно с другими при выявлении холодных трещин.

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: