Охлаждение детали при сварке

Обновлено: 17.05.2024

Для уменьшения внутренних деформаций и напряжений применяют ряд технологических приёмов по технике и очерёдности выполнения швов и их расположению, по выбору правильной конструкции изделия, по выбору режимов ручной дуговой сварки (или другого способа сварки).

Остаточные напряжения

В металле напряжения возникают во время сварки и по завершению процесса. В последнем случае они формируются по мере охлаждения детали и называются остаточными. Такие напряжения практически во всех конструкционных материалах присутствуют в течение всего эксплуатационного периода. Они представляют наибольшую опасность для изделий, так как являются причиной изменения габаритов и формы деталей. Поэтому так важно снять напряжение в металле после сварки. Это позволит исключить вероятность изменения внешнего вида изделия и уменьшить степень снижения его эксплуатационных характеристик. Если же остаточные напряжения в материале слишком большие, то существует вероятность, что деталь невозможно будет использовать.

Формоизменение изделий, изготовленных с помощью сварки, происходит из-за перемещения соединенных элементов, так как в каждой точке металла появляются деформации. Существуют несколько видов изменения формы:

продольные укорочения, образующиеся в результате усадки в одноименном направлении;
изгиб плоскости;
поперечные укорочения; возникающие тоже в результате усадки в соответствующем направлении;
угловые деформации, когда выполняются тавровые и стоковые сочленения;
формоизменения балочных конструкций, происходящие из-за деформации поперечных и продольных сварочных швов (в редких случаях происходит закручивание балок).

Меры по предотвращению сварочных деформаций

Одним из способов устранения сварочных деформаций является сварка в кондукторах — специальных приспособлениях, позволяющих жёстко закрепить изделие. Кроме этого, часто применяют предварительную деформацию свариваемых деталей. Направление предварительной деформации должно быть противоположно ожидаемой деформации при сварке. Такая мера называется ещё методом предварительного изгиба.

Такой метод используют для предотвращения угловых деформаций при сварке угловых швов и при сварке нахлёсточных соединений. При сварке листового металла малой ширины, их выгибают в сторону, обратную от предполагаемой деформации.

В случае сварки листов большой ширины, их сварные кромки предварительно изгибают. Для предотвращения деформаций при сварке тавровых и двутавровых соединений, их закрепляют в приспособления, которые изгибают детали в сторону, обратную предполагаемой деформации.

Термообработка

Одним из вариантов снятия напряжения является высокотемпературный отпуск. Техническое мероприятие применяется во время сочленения углеродистых сплавов. Оно осуществляется за счет нагрева до 630-650 °C. После выдержки температуры, длящейся 2-3 минуты на 1 мм толщины стали, деталь охлаждается.

Снижение температуры изделия проводят медленно. Это позволяет избежать повторного образования напряжения. Скоростной параметр зависит от состава металла. Он уменьшается с увеличением в сплаве элементов, влияющих на его закалку.

Термообработка после сварки для устранения напряжений и деформаций

Отпуск после сварки для снятия напряжений

При сварке углеродистых конструкционных сталей выполняют общий высокотемпературный отпуск. Для этого сварное изделие нагревают до температуры 630-650°C, выдерживают при этой температуре и охлаждают. Время выдержки определяется из расчёта 2-3мин на миллиметр толщины металла.

Охлаждение сварного соединения должно происходить медленно, чтобы при остывании вновь не возникли внутренние напряжения. Скорость охлаждения стали определяется, в зависимости от её химического состава. Чем больше в составе стали присутствует элементов, способствующих закалке, тем меньше скорость охлаждения при отпуске после сварки. Часто сварное соединение охлаждают вместе с печью до температуры 300°C, а затем на обычном воздухе.

Отжиг для устранения внутренних напряжений

Отжиг для устранения напряжений и деформаций при сварке выполняется полный или низкотемпературный. При полном отжиге сварное изделие нагревают до температуры 800-950°C, выдерживают и охлаждают вместе с печью. После такого отпуска вязкость и пластичность сварного шва увеличивается, а твёрдость уменьшается.

При низкотемпературном отпуске сварное соединение нагревают до температуры 600-650°C и охлаждают вместе с печью. При таком отпуске, нагрев металла происходит до температур, ниже критических, поэтому, преобразований в кристаллической структуре металла не происходит.

Аргонодуговой прием

Смысл аргонодуговой обработки состоит в расплавление участка, находящегося между сварным швом и основным металлом. Процесс выполняется неплавящимся электродным стержнем в аргоновой среде. Такое воздействие позволяет избавиться от напряжений в переходной зоне. Однако в дальнейшем происходит кристаллизация, в результате которой они снова появляются. Величина вновь появившихся напряжений существенно меньше начальных значений. Разница достигает 70%.

Совет! Используя такой прием можно не только уменьшить напряжение, но и получить плавный переход на участке, расположенным между швом и металлом конструкции. Благодаря этому у металлоконструкции повышается прочностная характеристика.

Жаропрочные металлы

Этот тип сплавов отличает высокое (до 65%) содержание легирующих добавок, которые придают материалу устойчивость к высоким температурам.

Сложность сварки жаропрочных сталей таким образом, помимо обеспечения прочности шва, заключается в сохранении вышеупомянутых качеств.

Наиболее распространенная технология: сварка неплавким вольфрамовым электродом в среде инертных газов, гелия или аргона.

Аустенитные и нержавеющие сплавы сваривают также под флюсом. С целью сохранения мелкокристаллической структуры таких материалов, используют модификацию шва.

Для этого, применяют присадки с высоким содержанием легирующих компонентов (хром, молибден).

При использовании инверторных приборов используют соответствующие электроды либо проволоку.

Изделия из жаростойких металлов, обычно закаленные. Но поскольку околошовное пространство остывает медленно, каленый металл отпускается, теряя твердость. Чтобы этого не произошло после сварки теплоустойчивых сталей выполняют их закалку. Нагревая до 1000-1100 градусов и резко охлаждая.

Термическая правка

Этот метод подразумевает под собой нагрев сочленения при использовании газового пламени. Может также применяться электродуга, образующаяся от неплавящегося электродного стержня. Нагрев материала осуществляется до 750-850 °C. Затем происходит быстрое расширение сплава. Однако рядом расположенные слои не дают металлу расширяться. Из-за этого возникает пластическая деформация нагретой зоны. Когда происходит охлаждение, предварительно нагретый участок начинает сжиматься. В итоге деформация полностью или частично устраняется.

Зная, как снять напряжение металла после сварки, удастся уменьшить вероятность снижения прочности сварных конструкций. Это особенно важно в условиях, которые способствуют появлению хрупкого разрушения шва. Используя вышеописанные методы, удается избежать дефектов при эксплуатации сварной металлоконструкции.

Техника сварки, позволяющая избежать сварочных деформаций

Существуют разные варианты техники сварки, позволяющие уменьшить сварочные напряжения и поводки. При выполнении сварочных швов большой длины, используют обратноступенчатый способ сварки на проход (схема а) на рисунке слева). При выполнении многослойной сварки, наплавляются каскадные сварные швы, или горкой. Каждый из этих слоёв (кроме первого и последнего) проковывают.

Кроме этого, сварные швы выполняются таким образом, чтобы каждый последующий шов вызывал напряжения, противоположные напряжениям от предыдущего шва (схемы б) и в) на рисунке слева).

Последовательность сварки не должна препятствовать возможной свободной деформации сварной металлоконструкции. Например, при сварке листового настила из металлических полос, необходимо, в первую очередь, сваривать листы в каждом слое настила, а затем сваривать слои между собой (см. рисунок справа).

При сварке вязких материалов, применяют способы сварки, позволяющие снизить остаточные напряжения. К таким способам относятся закрепление свариваемой детали в специальных приспособлениях. В таких приспособлениях свариваемые детали собирают, сваривают и остужают.

Кроме этого, применяют различные приёмы, позволяющие быстро отводить тепло от сварного изделия, например, при охлаждении под струёй воды, или отвод теплоты с помощью медных подкладок.

Если свариваемый металл склонен к формированию закалочных структур, то резкое охлаждение сварного шва и зоны термического влияния приводит к возникновению внутренних напряжений и образованию холодных трещин в металле.

Для того, чтобы уменьшить перепад температур в металле, пред сваркой выполняют предварительный подогрев. Если сварочные работы ведутся при низких температурах, то подогрев обязателен даже если выполняется сварка низкоуглеродистых сталей.

Пережог

Это самый неисправимый брак. При нагреве металла или сплава обязательно нужно следить за температурой, временем и конца нагрева. Окалина растёт, если увеличено время нагрева, а при быстром или интенсивном нагреве могут появиться трещины.
Пережог сплава происходит вследствие диффузии кислорода на границах зёрен, где сразу образуются окислы, которые разъединяют зёрна при высокой температуре сплава и при этом сразу резко падает прочность. А пластичность в это время приходит к нулю. Этот брак сразу отправляется на переплавку.

Подготовка к проведению работ

Перед тем как сваривать нержавеющие элементы, их следует правильно подготовить к проведению работ. Основные моменты здесь заключаются в следующем:

Все кромки тщательно зачищают при помощи напильника, шлифовальной бумаги или болгарки.
Кромки также обрабатывают ацетоном, чтобы убрать все жирные налеты. Кроме того, данный раствор позволяет обеспечить стабильность электрической дуги, а сварное соединение будет иметь еще более высокое качество.
Располагая заготовки относительно друг друга, необходимо помнить об увеличенном зазоре, который не допустит деформации конечной детали.

Как осуществляется сварка нержавейки

Перед выполнением сварки нержавеющей стали необходимо ее подготовить. Очень важно уделить внимание кромкам свариваемых деталей – они должны быть зачищены до стального блеска. Также следует обезжирить поверхность с помощью растворителя, авиабензина или ацетона.

Для сваривания нержавейки можно применить одну из следующих технологий:

Ручная MMA-сварка, как правило, используют при отсутствии высоких требований к качеству шва. Основная сложность данной технологии заключается в правильном выборе электрода, который нужно подбирать в соответствии с маркой металла. Обычно для таких целей применяют электроды с основным покрытием, изготовленным из карбонатов магния и кальция, или рутиловым покрытием, созданным на основе двуокиси титана. Если в первом случае сваривание осуществляется исключительно обратнополярным постоянным током, то во втором допускается применение тока с переменной характеристикой.

Таблица для подбора электродов

TIG-сварка эффективна для сваривания тонких листов нержавейки. Чтобы добиться высокого качества шва, следует использовать присадочную проволоку с более высоким уровнем легирования, чем у основного металла. В качестве защитной среды зачастую применяется 100% аргон, однако в некоторых случаях для повышения стабильности дуги и увеличения скорости процесса аргон могут разбавлять гелием.

TIG сварка изделий из нержавейки

TIG сварка выхлопных систем

Аргонодуговая сварка TIG с вольфрамовым электродом

Полуавтоматическая технология MIG/MAG является наиболее универсальной для сварки нержавеющей стали, так как позволяет работать с разными толщинами: для тонких листов подходит метод короткой дуги, для толстых – струйного переноса. С целью защиты шва обычно используют смесь аргона (98%) с диоксидом углерода (2%). Не рекомендуется увеличивать концентрацию углекислоты и, тем более, применять ее в чистом виде, поскольку это приводит к появлению металлических брызг и нарушению структуры шва. Подробнее о сравнении углекислого газа и сварочных смесей читайте в нашей статье.

Особенности работы с нержавеющей сталью

Приступая к сварочному процессу, необходимо учитывать несколько важных моментов, характерных для нержавейки:

Данный материал обладает меньшей теплопроводностью, чем обычное железо. Поэтому во избежание высокой концентрации тепла в районе шва с дальнейшим прожогом детали сварочный ток необходимо уменьшать на 20-30%.
Из-за повышенного электрического сопротивления металла электроды нагреваются гораздо сильнее, что приводит к их более быстрому износу.
Нержавеющая сталь отличается высоким коэффициентом линейного расширения. При сваривании деталей большой толщины важно выдерживать определенный зазор для нормальной усадки шва. В ином случае возможно появление трещин.
В режиме термообработки возникает вероятность снижения антикоррозионных свойств в месте соединения деталей. С целью предотвращения такой ситуации шов следует оперативно охлаждать. Для этого используют разные способы, например, подкладывают под место соединения медную пластину или снижают его температуру с помощью холодной воды.

Сваривание изделий из нержавейки это распространенная задача на производстве. Как показывает практика, попытки сэкономить на качестве защитных газов приводят к уменьшению надежности и долговечности сварного соединения. Качество имеет первостепенное значение для всего результата работы. Например, здесь можно ознакомиться с защитными газовыми смесями, которые применяются для различных видов металлов, и их типовыми характеристиками.

Последствия напряжения сварного шва

Последствия напряжения различают и по характеру деформации — упругая поверхностная может быть устранена или постепенно сойдет сама в процессе остывания. Пластическая деформация шва необратима, устранить ее без переваривания практически невозможно, при этом изменяется структура металла и его прочностные свойства.

Равномерность распределения

При оценке деформации используется коэффициент неравномерности, который позволяет учесть направление сил напряжения и заранее принять профилактические меры. Например, неравномерность будет выраженной, если часть заготовки контактирует с массивными холодными тисками, фиксируется ими, а при остывании именно в этой зоне формируется зона наибольшего напряжения. Имеет значение и разница в габаритах деталей — больший размер связан с изменением динамики нагрева и остывания, при соединении с фрагментом меньшего размера возникает неравномерно распределенное усилие.

Какое бывает окисление у разных сталей?

Хромоникелевая сталь — её называют жаростойкой потому, что она практически не поддаётся окислению.

Легированная сталь — у неё образуется плотный, но тонкий слой окалины, который защищает от дальнейшего окисления и не даёт растрескиваться при ковке.

Углеродистая сталь — она теряет около 2–4 мм углерода с поверхности при нагреве. Это для металла очень плохо, так как он теряет прочность, твёрдость и сталь ухудшается в закаливании. А особенно очень пагубным является обезуглероживание для ковки небольших деталей с последующей закалкой. Чтобы не было трещин на высоколегированной и высокоуглеродистой стали, их надо нагревать медленно.

Обязательно нужно обращаться к диаграмме «железо-углерод», где определена температура для начала и конца ковки. Делать это надо для того, чтобы металл при нагреве не приобретал крупнозернистую структуру и не снижалась его пластичность.

Другие виды

При сварке нержавейки шов нередко, оказывается подверженным коррозии. Это вызвано как выгоранием части легирующих добавок, так и занесением в сварную зону излишнего содержания железа.

Чтобы этого избежать необходима пассивация сварных швов нержавеющей стали путем их зачистки, либо травления кислотой (как правило — азотной). В процессе пассивирования, на поверхности металла образуется прочная окисная пленка, которая становится его надежной защитой.

Явной приметой снижения уровня легирования, является значительное изменение цвета зоны как самого шва, так и прилегающего к ней металла.

Серьезные проблемы при выполнении неразъемных соединений создает сварка анодированной стали. Дело в том, что слой анодированного покрытия при создании шва неизбежно разрушается. Если после окончания сварочных работ не произвести его восстановление, изделие на стыке быстро начнет ржаветь.

К счастью, восстановление анодированного покрытия не представляет особых проблем, даже в домашних условиях. Для этого достаточно источника постоянного тока не менее 12 Вольт, а также пищевой соды и обычной поваренной соли.

Электросварка

На протяжении всей своей деятельности в области обучения электросварке я получаю вопросы от своих читателей по поводу принудительного охлаждения деталей после сварки водой. Кроме того, я замечаю, что среди мастеров-любителей очень распространена эта привычка. Но правильно ли охлаждать сварочный шов водой? И как же нужно делать на самом деле? В этой статье раскрою эту темы подробно. Вообще, это тема большая и сложная, но я объясню всё буквально «на пальцах».

Как правильно охлаждать металл

Металлы обладают таким свойством, что их структура изменяется не только от температуры, но и от скорости остывания и нагревания. А одними из самых важных характеристик металла (а значит и сварного шва, и околошовной зоны, и сварного соединения в целом) являются пластичность и твёрдость. Собственно, это противоположные стороны одной характеристики — пластичный металл не обладает твёрдостью, а твёрдый, наоборот, не обладает пластичностью, и при дальнейшем повышении твёрдости становится хрупким.

В металлургии существуют различные термические циклы, обеспечивающие необходимые свойства металла. Нам же в них разбираться не нужно, но крайне важно усвоить, что, в сухом остатке, начальная температура металла, скорость и площадь его нагрева и скорость остывания существенно влияют на свойства металла, а значит и на характеристики сварного соединения.

(Я написал «скорость» нагрева и остывания, но на самом деле, правильнее было бы сказать «режим». Потому что во многих ситуациях применяется не равномерное нагревание и остывание, а целая технология. Например, нагрев до определённой температуры, выдержка на ней в течении какого-то времени, дальнейший нагрев в течение какого-то времени и т.д., и лишь после нескольких таких шагов — сварка. С остыванием может быть примерно такая же технология.)

Охлаждение сварочного шва

Возвращаясь к практической электросварке в бытовых условиях, важно знать, что принудительное охлаждение металла лишает его пластичности и делает более хрупким. Это приводит к тому, что в сварном соединении могут образоваться закалочные трещины. А даже если они не образуются вскоре после сварки, то такое сварное соединение будет выдерживать меньшую нагрузку, чем если бы оно остывало естественным способом. Трудно пересказывать сопромат бытовым языком, но общий смысл в том, что соединение, остывшее естественным способом, обладает большей пластичностью. Таким образом, при увеличении нагрузки, у такого соединения позже наступает точка необратимого разрушения. Соответственно, у соединения, охлажденного принудительно, точка необратимого разрушения наступает раньше.

Как я уже сказал выше, это сложная тема, которая уходит глубоко в вопросы металлургии и сопромата. Но основной вывод из всей статьи, что никогда и ни при каких обстоятельствах не следует охлаждать сварные швы в бытовых конструкциях принудительно!

А теперь, напишите, пожалуйста, в комментариях, понятна ли и полезна ли вам эта статья, и какой у вас опыт в этой области. Даже если я не отвечаю на каждый комментарий, все их читаю, и для меня действительно важно, чтобы мои статьи были для вас полезны. Пожалуйста, оставьте свой комментарий.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Охлаждение сварных соединений до комнатных температур вызывает распад аустенита с получением в шве и околошовной зоне мартенситной структуры. Последующий отпуск ( в зависимости от состава стали и предварительной термической обработки, осуществляемой при температуре около 700 С) приводит к получению структуры с тонким сорбитом отпуска и хорошими свойствами. [2]

Скорость охлаждения сварных соединений после выдержки также оказывает большое влияние на качество термической обработки. Повыщение скорости охлаждения для сварных соединений труб из сталей перлитного класса может привести к возникновению больших температурных ( временных) напряжений. [3]

Большие скорости охлаждения сварных соединений при электродуговой сварке приводят к фиксации структур, соответствующих околосолпдусным температурам. Таким образом, металл сварного соединения находится в структурно неравновесном состоянии по отношению к рабочим температурам конструкции. Термическая обработка - аустенизация сварных соединений при 1050 - 1150 С или ниже часто сопровождается охлаждением на воздухе или же охлаждение производится с такими скоростями, которые также приводят к неравновесным структурам. Вследствие этого при эксплуатации ( температура более 350 - 400е С) развиваются диффузионные процессы и в стали появляются новые структурные составляющие ( явление термического старения), что может явиться причиной ухудшения пластических свойств металла, часто без увеличения прочности. [4]

Для обеспечения меньшей скорости охлаждения сварного соединения и поверхности нагретой трубы применяют теплоизолирующие пояса, которые изготовляют из асбеста и стекловолокна. В трассовых условиях наиболее целесообразны теплоизолирующие пояса, изготовленные из стекловолокна, которые обладают минимальной чувствительностью к увлажнению. [6]

Чтобы избежать трещин при охлаждении сварного соединения , необходимо использовать такие сварочные материалы, которые обеспечат получение металла шва, обладающего большой деформационной способностью. Это может быть достигнуто, если наплавленный металл и металл шва будут в меньшей степени легированы, чем свариваемая сталь. [7]

Полагают, что повышением интенсивности охлаждения сварных соединений после высокотемпературного у - б-превращения можно существенно уменьшить размер зерна аустенита в результате полиморфного б - у-превращения при сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей, кристаллизирующихся из расплава с образованием б-феррита. [8]

Теория распространения тепла позволяет рассчитывать скорость охлаждения сварного соединения и длительность нагрева в зависимости от режима сварки. [9]

Теория распространения тепла позволяет рассчитывать скорость охлаждения сварного соединения , длительность нагрева в зависимости от режима сварки. [10]

Для того чтобы избежать трещин при охлаждении сварного соединения , необходимо использовать такие сварочные материалы, которые обеспечат получение металла шва, обладающего большой деформационной способностью. Это может быть достигнуто, если наплавленный металл и металл шва будут в меньшей степени легированы, чем свариваемая сталь. [12]

Появление черной окиси меди СиО возможно при охлаждении сварного соединения на воздухе. [13]

Как было указано, в процессе нагрева и охлаждения сварных соединений из разнородных сталей происходит изменение поля остаточных напряжений. В зоне сплавления перлитной стали с аустенитным швом, где напряжения скачкообразно меняют знак и где, следовательно, действуют высокие скалывающие напряжения, циклические температурные изменения могут приводить к появлению разрушений типа усталостных. При наличии в этой зоне местных ослаблений, вызванных развитием переходных прослоек диффузионного характера, неблагоприятное влияние остаточных напряжений может проявиться наиболее резко. Поэтому принятие мер для устранения указанных прослоек является непременным условием повышения работоспособности сварных соединений разнородных сталей и в первую очередь тех из них, которые работают в диапазоне температур выше 450 - 5 - 500 С при наличии большого количества температурных циклов. [14]

При этом часто оказывается недопустимым перед термической обработкой охлаждение сварных соединений до комнатных температур. [15]

Борьба с трещинами в сварочном шве

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.

В процессе сварки таких сталей околошовная зона закаливается и теряет пластичность, что резко повышает вероятность возникновения холодных трещин. Иногда некоторые из таких сталей сваривают без предварительного подогрева, но применяют специальные технологические приемы, обеспечивающие снижение скорости охлаждения сварного соединения . К таким приемам относятся сварка способами горка, каскадом, блоками, короткими участками на максимальных режимах. [31]

Низколегированные низкоуглеродистые стали 12ГС, 14Г, 14Г2, 14ХГС, 15ХСНД, 15Г2Ф, 15Г2СФ, 15Г2АФ при сварке могут образовывать закалочные микроструктуры и перегрев металла шва и зоны термического влияния. Количество закаливающихся структур резко уменьшается, если сварка выполняется с относительно большой погонной энергией, необходимой для уменьшения скорости охлаждения сварного соединения . Однако снижение скорости охлаждения металла при сварке приводит к укрупнению зерен ( перегреву) металла шва и околошовного металла вследствие повышенного содержания углерода в этих сталях. Стали 15Г2Ф, 15Г2СФ и 15Г2АФ менее склонны к перегреву в околошовной зоне, так как они легированы ванадием и азотом. Поэтому сварка большинства указанных сталей ограничивается более узкими пределами тепловых режимов, чем сварка низкоуглеродистой стали. [32]

Противоречивое влияние стабилизирующей обработки при 800 - 900 С на изменение скорости ножевой коррозии у стали 12Х18Н10Т зависит от исходного состояния металла, уровня граничных сегрегации, времени термической обработки сварного соединения. Если скорости охлаждения сварного соединения при сварке были велики и на границах сохранились высокие концентрации кар-бидообразующих элементов, то следует ожидать при стабилизирующей обработке дальнейшего роста объема карбидных частиц на границах и увеличения скорости ножевой коррозии. Если скорости охлаждения сварного соединения были малы и граничные выделения карбидов обильны, то с помощью термической обработки при 800 - 900 С можно весьма быстро достичь второй стадии фазовых превращений на границах: коагуляции и коалесценсии карбидных частиц, сопровождающихся изменением их формы и увеличением разряженности в распределении. [33]

Появление горячих трещин возможно только при изготовлении конструкций из трудносваривающихся металлов или при серьезных нарушениях технологического процесса сборки и сварки. Известно, что при сварке на морозе опасность возникновения трещин возрастает. Это объясняется повышением скорости охлаждения сварного соединения , а также ростом скорости деформации. Одной из технологических мер предупреждения горячих трещин является подогрев изделия при сварке. Повышение температуры подогрева снижает скорость охлаждения сварного соединения и скорость пластических деформаций в металле шва. Подогрев до 300 - 400 С эффективно уменьшает опасность возникновения горячих трещин в металле шва. Дальнейшее увеличение температуры подогрева существенной пользы не приносит. [34]

Независимо от условий хранения сварочные электроды и флюсы непосредственно перед сваркой прокаливали по заданным режимам. Сварочные электроды рекомендуется хранить на рабочем месте в специальных пеналах типа термоса, которые не дают электродам остывать после прокаливания и увлажняться. Чтобы при понижении температуры воздуха скорость охлаждения сварного соединения не изменялась, при ручной дуговой сварке поворотных и неповоротных стыков труб в зимнее время необходим предварительный подогрев. Температура стыка во время его сварки должна быть не ниже значений, приведенных в табл. 9.9. По окончании сварки стыка нельзя сбрасывать плеть или нитку трубопровода в снег. Если во время сварки стыка ( корня щва) был вынужденный перерыв более 3 мин, а после сварки корня шва - - - более 5 мин, то до возобновления сварки необходимо поддерживать температуру торцов труб на уровне требуемой температуры предварительного подогрева. Предварительный подогрев обязателен зимой при правке вмятин на концах труб. В этом случае место правки нагревают до температуры 100 - 150 С, а правку выполняют безударными разжимными устройствами. При двухсторонней автоматической сварке под флюсом предварительный подогрев не нужен, однако при температуре ниже 5 С необходима просушка стыка путем нагрева его до 20 - 50 С. Имеются определенные особенности сборки стыков трубопроводов при отрицательных температурах. Прежде всего при температуре сварки - 40 С и ниже трубы под сварку следует собирать с максимальным зазором. [35]

При более низких температурах воздуха для компенсации тепловых потерь автоматическую сварку выполняют на повышенных режимах. Это мероприятие проводится для уменьшения скорости охлаждения сварного соединения за счет изменения энергии и получения нормального температурного режима для формирования сварного шва. [36]

Ослабление границ кристаллитов возникает при отпуске в результате сегрегации фосфора и его химических аналогов по этим границам и происходит по типу обратимой отпускной хрупкости, развитию которой способствует замедленное охлаждение сварных соединений. Обратимая отпускная хрупкость в основном развивается в диапазоне 400 - 550 С. Для снижения степени ослабления границ кристаллитов целесообразно увеличить скорость охлаждения сварных соединений в интервале 600 - 350 С. [37]

Однако эта методика не учитывает влияния химического состава основного и наплавленного металла на свойства и сопротивляемость образованию трещин. При определении режимов сварки для сталей, склонных к образованию трещин, необходимо проводить расчет с учетом скорости охлаждения сварного соединения . [38]

Холодные трещины образуются в корне контрольного шва и распространяются по шву или околошовной зоне. Трещины выявляют через 24 ч после сварки внешним осмотром поверхности шва, затем шов разрезают перпендикулярно к оси на темплеты для макрошлифов, по которым определяют размеры трещины в поперечном сечении шва. Степень разрушения определяют на поверхности сварного соединения, в корне шва и поперечном сечении как отношение суммарной длины разрушенного участка к общей длине контрольного шва. С, что позволяет уменьшать скорость охлаждения сварного соединения . [40]

С увеличением содержания водорода в сварном шве уменьшается также работа распространения трещины. Так, при концентрации водорода 1 0 см3 / 100 г для сварного соединения из стали 17Г1С при Woxa 4 0 С / с величина Арл - - 48 5 Дж / см2, а при увеличении скорости охлаждения до 8 0см3 / 100 г - снижается до 18 5 Дж / см2, т.е. примерно в 2 7 раза. Следует обратить внимание на изменение вида поверхности излома испытываемых образцов. Так, при [ Н ] 1 0 см3 / 100 г фрактограмма излома состоит на 90 - 95 % из волокнистой поверхности ( при Т 20 С), а при 8 0см3 / 100 г - на 30 - 40 %, что указывает на повышение критической температуры хрупкости. При достижении скоростью охлаждения сварного соединения величины 55 С / с работу Арл оказалось невозможно определить, т.к. на диаграмме статического изгиба наблюдался полный срыв. [41]

С увеличением содержания водорода в сварном шве уменьшается также работа распространения трещины. Так, при концентрации водорода 1 0 см3 / 100 г для сварного соединения из стали 17Г1С при WOXJi 4 0 С / с величина Арл, 48 5 Дж / см2, а при увеличении скорости охлаждения до 8 0 см3 / 100 г - снижается до 18 5 Дж / см2, т.е. примерно в 2 7 раза. Следует обратить внимание на изменение вида поверхности излома испытываемых образцов. Так, при [ Н ] 1 0 см3 / 100 г фрактограмма излома состоит на 90 - 95 % из волокнистой поверхности ( при Т - 20 С), а при 8 0см3 / 100 г - - на 30 - 40 %, что указывает на повышение критической температуры хрупкости. При достижении скоростью охлаждения сварного соединения величины 55 С / с работу Ар т оказалось невозможно определить, т.к. на диаграмме статического изгиба наблюдался полный срыв. [43]

Появление горячих трещин возможно только при изготовлении конструкций из трудносваривающихся металлов или при серьезных нарушениях технологического процесса сборки и сварки. Известно, что при сварке на морозе опасность возникновения трещин возрастает. Это объясняется повышением скорости охлаждения сварного соединения, а также ростом скорости деформации. Одной из технологических мер предупреждения горячих трещин является подогрев изделия при сварке. Повышение температуры подогрева снижает скорость охлаждения сварного соединения и скорость пластических деформаций в металле шва. Подогрев до 300 - 400 С эффективно уменьшает опасность возникновения горячих трещин в металле шва. Дальнейшее увеличение температуры подогрева существенной пользы не приносит. [44]

Очень большое значение для качества сварных соединений, выполненных при низких температурах, имеет предварительный подогрев основного металла. С помощью подогрева ведут борьбу с трещшгообразованпем, улучшают пластические свойства сварного соединения, а при сварке в жестком контуре улучшают состояние металла, снимая внутренние остаточные напряжения. Кроме этого, подогревая кромки детали перед сваркой в зимних условиях, попутно очищают этим соединяемые участки от снега, влаги и ржавчины, предупреждая возможность образования пор в металле шва. Режим подогрева зависит от окружающей температуры и марки стали. Иногда, особенно при сварке легированных сталей, применяют подогрев и после окончания сварки с целью снизить скорость охлаждения сварного соединения и улучшить его качество. [45]

Читайте также: