Сварка трещин в стали

Обновлено: 16.05.2024

Сталь считается прочным материалом, который используется в разных сферах. Из него изготавливают важные конструкции - ограждения, элементы для обшивки зданий, различное оборудование, трубы и другие изделия. Прочность основы обеспечивает содержание в ее составе различных добавок.

Составляющие компоненты оказывают влияние не только на прочность металла, но и на способность к свариванию. Сварка стали может зависеть от разных показателей - от свойств, прочности, дополнительных компонентов. Именно поэтому некоторые виды металла свариваются быстро и легко, а другие наоборот требуют особого подхода.

Влияние легированных примесей на сваривание стали

Сталь для сварочных конструкций может применять различная, но стоит учитывать, что ее свариваемость зависит в первую очередь от наличия в ее составе легированных примесей. Именно химический состав оказывает основное влияние на данный процесс.

Ниже в таблице приведены основные легирующие примеси, которые влияют на степень свариваемости различных видов стали.

Факторы, определяющие свертываемость стали

Сварка углеродистых сталей зависит от содержания примесей, и от других свойств. Обычно оценивание сваривания проводится по показателям содержания основного вещества - углеродного эквивалента Сэкв. Это условный коэффициент, который позволят учитывать степень воздействия содержания карбона и главные легирующие компоненты на характеристики шва.

Степень сваривания стали для изготовления сварных конструкций может зависеть от следующих факторов:

показатель содержания углерода;
присутствие вредных примесей;
степень легирования;
вид микроструктуры;
условия внешней среды;
уровень толщины металлической основы.

Классификация сталей по свариваемости

Сварка стали 45, 40, 20 и других марок в зависимости от важных качеств металлической основы может иметь различные характеристики.

В зависимости от степени свариваемости сталь разделяют на несколько групп:

хорошая свариваемость, при этом показатель углеродного эквивалента Сэкв. должен быть не меньше 0,25 %, допускается больше. Она не зависит от погодных условий, от размера толщины изделий, наличия подготовительных работ;
удовлетворительный показатель свариваемости - показатель Сэкв должен быть больше 0,25 %, но не выше 0,35 %. При этом имеются ограничительные нормы к условиям окружающей среды и к размерам диаметра свариваемого изделия. Сварка стали 20 должна проводиться при температуре воздуха до -5 в безветренную погоду, а размер диаметра не должен превышать 20 мм;
ограниченная. Показатель Сэкв. должен составлять от 0,35 % до ,45 %, но главное не больше. Чтобы получить шов высокого качество требуется проводить предварительный нагрев. За счет этого получается добиться плавные аустенитные преобразования, а также формирование устойчивых структур;
плохая свариваемость, при которой показатель Сэкв. составляет больше 0,45 %. Для того чтобы получить качественное и механические устойчивое сварное соединение требуется предварительная температурная подготовка кромок металлической основы. Также после сваривания конструкцию следует термически обрабатывать. Для получения требуемой микроструктуры во время сварки стали 40 должны выполняться дополнительные подогревы и охлаждения.

Особенности сварки низкоуглеродистых сталей

Металлы низкоуглеродистого типа имеют в своем составе 0,25 % углерода. Этот показатель обеспечивает положительные особенности основы:

хорошая упругость;
высокие свойства пластичности;
значительная ударная вязкость;
основа идеально подходит для сваривания.

Применяют низкоуглеродистую сталь для сварных конструкций. Также используют при изготовлении изделий методом холодного штампования.

Как сваривается низкоуглеродистая сталь

Технология сварки низкоуглеродистых сталей проводится с помощью ручного дугового сваривания с использованием электродов с обмазыванием. Обязательно запомните несколько нюансов:

в первую очередь требуется выбрать марку электродов. За счет этого обеспечивается равномерная структура наплавленного металла;
сваривание должно выполняться в быстром и точном режиме;
перед тем как начинать рабочий процесс требуется заранее подготовить детали, которые нужно будет соединять.

Технология сварки углеродистых сталей может производиться газовым свариванием. К важным особенностям относят:

при этом процесс проводится без использования дополнительных флюсов;
для присадочной основы стоит использовать металлическую проволоку с низким уровнем углерода;
при правильном выполнении сваривании предотвращается образование пор;
изделия важного значения нужно сваривать аргоном.

Как сваривание будет выполнено, готовое изделие обязательно подвергают термической обработке при помощи метода нормализации. Во время данного процесса изделие нагревается до 4000С, затем охлаждается и выдерживается на открытом воздухе. Данная процедура делает структуру изделия равномерной.

Главные особенности

Сварка стали 30 с низкоуглеродистой основой обладает несколькими важными особенностями, на которые стоит обратить внимание:

качественное сваривание конструкций из данного материала обеспечивает равнопрочность сварного соединения с основным металлом. Также оно защищает от образования дефектов;
металлическая основа соединения имеет в составе низкое содержание углерода, но при этом показатели таких компонентов, как кремний и марганец повышены;
во время ручной дуговой сварке околошовная зона может подвергаться перегреванию. Это способствует небольшому упрочнению шва;
шов, который выполняется при помощи многослойной сварки, имеет повышенную хрупкость;
в связи с тем, что в швах имеется низкий уровень углерода, они обладают повышенной стойкостью к воздействию межкристаллическому коррозийному поражению.

Разновидности сварки для низкоуглеродистой стали

Сварка низкоуглеродистых сталей может производиться при помощи нескольких методов. При этом каждый из них имеет важные особенности, которые обязательно нужно учитывать во время сваривания.

Вид	Характеристика
Ручное дуговое сваривание электродами с покрытием	Чтобы точно выбрать расходный материал для сваривания этим методом, требуется учитывать несколько важных условий - готовый сварной шов должен быть без повреждений, равномерная прочность соединения, оптимальный химический состав металлической основы шва, стойкость соединения при ударах. Сварка стали 45 и других марок выполняется электродом. При этом могут использоваться различные марки электродов.
Газовая	Процесс производится в защитной аргоновой среде. Дополнительно в качестве присадочной основы используется проволока из металлической основы.
Электрошлаковая	Во время нее применяются флюсы. Электроды из проволочной и пластинчатой основы выбираются в зависимости от главного сплава.
Автоматическое и полуавтоматическое сваривание	Процесс сваривания производится в защитной среде. Во время него может применяться аргон или гелий в чистом виде, но в основном углекислый газ.
Автоматическая под флюсом	Сваривание выполняется с использованием электродной проволоки в диаметре от 3 до 5 мм. Сварка 45 стали (20, 30, 40 и других марок) полуавтоматом - 1,2-2 мм. Сваривание происходит за счет электрического тока с обратной полярностью.
Сваривание с применением порошковых проволок	Оно считается самым подходящим. Сила тока обычно находиться в пределах от 200 до 600 А.

Сварка среднеуглеродистой стали

Металлы со средним содержанием углерода обычно применяют при производстве изделий с высокими механическими качествами. Сплавы подходят для ковки. Также их часто используют для конструкций, которые производятся при помощи холодного пластического деформирования.

Стали, которые содержат в составе углерод от 0,4 до 0,6 %, часто применяются в машиностроительной сфере. Из них можно делать колеса и оси вагонов, рельсы железных дорог.

Как выполняется

Технология сварки среднеуглеродистых сталей протекает не так просто. Все дело в некоторых сложностях:

у главного и наплавляемого металла отсутствует равная прочность;
имеется повышенный риск появления больших трещин и непластичных структур рядом с соединением;
низкая устойчивость к образованию коррозии.

Но если выполнять важные рекомендации, то всех этих проблем можно избежать:

сварка 30хгса стали должна проводиться электродами и проволокой с низким уровнем углерода;
сварочные стержни должны иметь повышенный показатель коэффициента наплавления;
чтобы обеспечить небольшую степень проплавления главного металла рекомендуется делать разделение кромок, установку подходящего режима сваривания, а также применять проволоку присадочного типа;
сварка стали 35хгса обязательно должна быть с предварительным прогреванием заготовок. Также они должны прогреваться и в процессе сваривания для обеспечения равномерной прочности сварных швов.

Виды сварки среднеуглеродистой стали

Сварка стальных труб из металла со средним содержанием углерода и других изделий является сложной процедурой. Сваривание данного материала может производиться несколькими способами. При этом каждый из них отличается как процессом работы, так и готовым результатом.

Сталь под маркой 35 хгса имеет среднее содержание углерода, ее сварка обычно производиться ручным дуговым свариванием с электродами. Но при этом они должны иметь в своем составе небольшой уровень углерода, наиболее подходящими считаются расходники следующих марок - УОНИ-13/55, УОНИ-13/65, ОЗС-2, К-5а.

Технология газовой сварки среднеуглеродистых сталей имеющих тонколистный формат производится левым способом с применением проволоки. Также обязательно применяется нормальное сварочное пламя, которое позволяет снизить расход газа в среднем до 75-100 дм3 в 1 час. В среднем показатель расхода ацетилена составляет 120-150 л/ч на 1 мм толщины свариваемого сплава.

Изделия с толстыми стенками с размером толщины от 3 мм и больше нужно сваривать правым способом газовой сварки. Этот вариант имеет высокую производительность. При этом расчет ацетилена такой же, как и при левом способе сварки - 120-150 л/ч. Общий подогрев должен доходить до 250-300 градусов, а местный до 600-650 градусов.

Сварка стали 35, 20, 40, 45 и других марок под флюсом сопровождается использованием проволоки для сварочных работ и плавленых флюсов. При сваривании оказывается небольшое воздействие тока. Это повышает содержание в наплавляемой металлической основе кремния и марганца.

Сварка высокоуглеродистой стали

Из высокоуглеродистого металла не производятся сварные изделия. Дело в том, что данный материал обладает низким уровнем пластичности, именно это свойство ограничивает использование металла.

Высокоуглеродистую сталь применяют в следующих целях:

во время проведения ремонтов и строительства;
для изготовления пружин;
для производства инструментов и изделий, которые используются для резки, бурения, деревообработки;
из металла производится проволока с высокой прочностью;
конструкции, которые имеют высокую износостойкость и прочность.

Сварка высокоуглеродистых сталей выполняется обычно с использованием предварительного и сопутствующего прогрева наплавляемого металла до 150-4000С. Также после сваривания дополнительно для улучшения прочности проводится термообработка.

Это нужно потому, что сплавы из материала имеют высокую хрупкость, повышенную чувствительность к трещинам с горячей и холодной структурой, а также из-за химической неоднородности сварного соединения.

Технология сварки высокоуглеродистых сталей выполняется с учетом следующих рекомендаций:

после прогрева выполняется отжиг. Он выполняется, пока конструкция не остынет до 2000С;
сварка 40х, 20х, 30х не должна выполняться на сквозняках, а также при показателе температуры ниже -50С;
чтобы повысить свойства прочности шва нужно производить плавный переход от одного к другому свариваемому металлу;
чтобы получить качественное соединение стоит при сваривании использовать узкие валики. При этом должно выполняться охлаждение каждого наплавляемого слоя;
обязательно должны выполняться правила, которые относятся к соединениям из среднеуглеродистой основы.

Виды сварки

Процесс сварки высокоуглеродистых сталей может выполняться несколькими способами, которые могут отличаться некоторыми особенностями:

ручная дуговая сварка с использованием покрытых электродов. Рабочий процесс высокоуглеродистыми сталями имеет множество специфических характеристик. По этой причине сварка стали 40х, 30х, 45х и других марок должна проводиться с использованием специальных электродов, к примеру, НР-70. А сваривание швов производится током с обратной полярностью;
для соединения металла данного вида может применяться сварка под флюсом. В связи с тем, что в ручном режиме равномерно покрыть флюсом рабочую область очень тяжело, поэтому сварка проводится с использованием автоматической технологии. При расплавлении флюс переходит в состояние плотной оболочки, которая защищает сварочную ванну от воздействия вредных атмосферных факторов. Сварка стали 30хгса с использованием флюса производится при помощи трансформаторов.

Разновидности нержавеющей стали

Сварка разнородных сталей нержавеющей и обычной зависит не только от свойств материала, но и от его вида. По этой причине чтобы выбрать подходящий способ сваривания стоит сначала определить видовую принадлежность стали.

По главным свойствам нержавеющая сталь классифицируется на следующие виды:

аустенитная;
мартенситная;
ферритная.

В составе аустенитных имеется высокое содержание никеля и хрома. Применяются нержавеющие стали для изготовления сварных конструкций, для производства посуды, архитектурных компонентов, дымоходов, столовых принадлежностей. Сталь этого вида обладает высокой пластичностью, химической стойкостью и устойчивостью к механическим повреждениям.

В мартенситные стали входит низкий уровень углерода и хрома до 12 %. Металлы данной разновидности обладают высокой хрупкостью, но очень твердые. Из них производят режущие приспособления, бытовые изделия, турбины, крепежные элементы, которые используются в среде со слабым уровнем агрессивности.

В состав ферритных сталей входит средний уровень хрома. Они не закаляются и имеют повышенную устойчивость к агрессивным средам. Их в основном используют в машиностроительной сфере для производства втулок, валов, штуцеров.

Виды сварки нержавеющей стали

Сварка мартенситно, ферритных и аустенитных сталей выполняется практически всеми известными и распространенными способами сваривания. К наиболее популярным методам относят:

ручная дуговая MMA;
вольфрамовым электродом в атмосфере аргона TIG;
при помощи полуавтоматических технологий сваривания в инертной атмосфере - MIG/MAG, лазером.

Сварка аустенитных сталей и других разновидностей нержавеющего металла обычно выполняется осторожно, во время нее следует учитывать сложный химический состав и физические свойства металла. К главным качествам, которые затрудняют процесс сварки, относятся:

при сваривании нержавеющих сталей температура должна быть ниже, в отличие от сварки углеродистых металлов;
сварка разнородных сталей сопровождается высоким тепловым расширением;
низкий уровень теплопроводности.

Сварка жаропрочных сталей

Сварка жаропрочных сталей обычно выполняется при помощи дугового сваривания с использованием вольфрамового электрода. Весь процесс обычно проходит в среде защитных газов - аргона или гелия.

Сварка стали 15х5м и больших размеров может протекать при помощи аргонодугового сваривания с применением неплавящихся или плавящихся электродов или при помощи автоматической сварки под флюсом.

Аргоновая сварка стали 20х, 30х, 40х по сравнению со свариванием в гелиевой защитной среде сопровождается меньшим расходом газа, небольшим напряжением дуги и высоким сварочным током. По этой причине она является наиболее востребованной.

Сварка жаропрочной стали 40х, 20х, 30х, технология которой требует соединение металла в состоянии после закаливания, имеет несколько особенностей. Во время процесса сваривания металл прогревается до 1050-1100 градусов и после этого резко охлаждается.

Сварка стальных трубопроводов из любого вида металла (низкоуглеродистого, среднеуглеродистого, нержавеющего, жаропрочного) может выполняться разными способами. Самыми популярными являются ручное дуговое, автоматическое, газовое сваривание. Но в любом случае, прежде чем будет проведена сварка стали 30хгса и других марок, технология должна быть полностью изучена.

Интересное видео

Горячие и холодные трещины при сварке

Согласно ГОСТу 30242 все дефекты разделяют на шесть групп. Первая из них целиком принадлежит трещинам. Дефект шва, называемый трещиной, - это несплошность в виде разрыва металла. В месте образования появляется очаг напряжения, который при эксплуатации изделия приведет к дальнейшему разрушению.

Поэтому трещина считается недопустимым дефектом и подлежит устранению. Место образования трещин бывает, как в самом шве, так и в околошовной зоне, где сохраняется термическое влияние. Увидеть этот дефект нетрудно при визуальном осмотре. Для уточнения вида и ее размеров можно использовать лупу с большим увеличением. Ее приходится применять обязательно для обнаружения микротрещин.

Виды трещин

Существуют две разновидности трещин: первая их них называется горячей или высокотемпературной, а вторая - холодной или низкотемпературной. Каждая из них имеет градацию по другим признакам. Горячие и холодные трещины при сварке делятся по направлению - продольные, поперечные, могут быть радиальными или находиться в кратере валика. Горячие трещины образуются в металле при очень высокой температуре - более 1000°С, а для холодных достаточно более низкого значения в 200-300°С.

Горячие

Горячие трещины - это, по определению, разрушения межкристаллического характера. Цвет излома имеют темный, а форму - извилистую. Окисление является сильным.

Причины образования горячих трещин при сварке:

Деформации, вызванные укорочением.
Жидкие прослойки между зернами.
Невозможность перемещения деталей для правильного остывания, что происходит при их слишком сильной фиксации.
Нарушение связей между зернами из-за наличия элементов с низкой температурой затвердевания.
Присутствие примесей и включений. Особенно влияют сера и фосфор.

Горячие трещины при сварке имеют следующую последовательность образования:

после прекращения нагрева горячий металл начинает понемногу охлаждаться;
при определенной температуре в сварном шве начинают образовываться кристаллы, между которыми имеются прослойки в жидком виде;
происходит возрастание напряжений, приводящих к понижению деформационной способности шва и зоны вокруг него.

В результате неодинаковой усадки шва и свариваемого материала после охлаждения возникают внутренние напряжения, вызывающие появление трещин в разных направлениях.

Холодные

Холодные трещины при сварке образуются в теле самого шва и рядом. Они располагаются в продольном и поперечном направлениях под любым углом ко шву. Излом имеет светлый оттенок. Время появления - период остывания деталей. Трещины могут появляться, начиная с температуры 300 °С, поэтому их называют холодными в отличие от горячих.

Наиболее распространенные места появления холодных трещин - корень шва и место, где стыкуются валик и свариваемый металл. Такой вид трещин может появляться не только на поверхности, но и внутри металла. Их протяженность может быть небольшой. Обнаружить внутренние трещины более сложно.

Холодные трещины не имеют такого сильного разветвления, как у горячих. Меньшим является и их раскрытие. При реакции с кислородом воздуха их цвет становится коричневым или голубоватым. Высокопрочные и низколегированные стали являются наиболее уязвимыми.

Холодные трещины при сварке - причины возникновения:

Слишком сильное соединение свариваемых деталей.
Маленький диаметр электрода, не соответствующий толщине свариваемых деталей.
Несоблюдение технологии сварки.
Повышенное содержание углерода.
Слишком быстрое охлаждение.
Наличие внутренних напряжений.
Неправильный выбор электрода.

При возможности следует избегать ситуаций, когда образуются холодные трещины при сварке.

Кристаллизация

Кристаллизацией называется процесс, состоящий в образовании кристаллов. Это происходит при переходе металла из состояния жидкого в твердое. Именно это и происходит при сварке металлических изделий.

Этот процесс в сварном шве приводит к деформированию металлов и образованию трещин. Какие виды трещин образуются при кристаллизации сварного шва? Горячие, которые имеют второе название кристаллизационные, могут появиться в металлическом шве на последней стадии кристаллизации. При этом температура близка к солидусу, когда происходит исчезновение последних капель жидкого металла.

Предупреждение появления трещин

Существуют определенные меры, уменьшающие вероятность возникновения различных видов трещин:

Уменьшение жесткости соединения свариваемых деталей.
Подбирать ширину сварного шва, соизмеримую с толщиной деталей.
Значение сварного тока должно соответствовать рекомендуемому данному виду соединения. Превышение приведет к перегреву.
Сварочную проволоку выбирать с небольшим содержанием серы и углерода.
Соблюдать угол наклона электрода.
Шов не должен быть слишком узким.
Применение многопроходного способа сваривания. Однопроходные швы являются менее прочными.

Не лишним будет предварительный нагрев свариваемых деталей.

Ликвидация трещин

В нормативных материалах указаны меры борьбы с дефектами, в том числе трещинами. Основной метод - сварка трещин. Перед заваркой необходимо произвести подготовку. Она состоит в осмотре повреждения и определении его длины. Окончания трещины высверливают, а при невозможности выполнить эту операцию прижигают концы. Перед началом операции исправляемую область можно слегка подогреть. Если длина трещины составляет более 300 мм, то имеет смысл применить обратноступенчатый метод.

Сварка при ремонте автомобиля

Одной из главных частей автомобиля является головка блока цилиндров. От ее исправности зависит работа двигателя. При образовании в этой детали трещины для ремонта применяется ее заварка. Сварка трещин ГБЦ производится электросваркой. Возможно также применение газовой сварки. После окончания сварки шов покрывают эпоксидной пастой.

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.

Причины образования горячих трещин при сварке

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

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

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

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

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

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

Виды горячих трещин при сварке

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

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

Околошовные бывают нескольких видов:

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

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

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

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

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

Причины образования

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

Ликвиационные часто появляются при сварке:

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

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

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

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

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

Методы предотвращения появления горячих трещин

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

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

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

Как снизить вероятность возникновения

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

К способам устранения вредных факторов относятся:

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

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

Устранение трещины

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

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

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

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.

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.

Читайте также: