ЗАО "Сварочные технологии"

Трещины, образующиеся в сварных швах, разделяют на горячие (высокотемпературные) и холодные (низкотемпературные).

К горячим относят трещины, возникающие либо при температурах конца затвердевания, либо при более низких, чем температура конца затвердевания данного металла, а к холодным - трещины, возникающие при температурах ниже 300°С. Горячие трещины проходят, как правило, по границам кристаллитов и поэтому вызывают межкристаллическое разрушение металла; холодные трещины являются внутрикристаллическим разрушением и чаще пересекают зерна металла и их границы, реже располагаются по границам.

Образование горячих трещин в сварных швах связано с характером процесса его кристаллизации, видом кристаллической структуры (крупнозернистая столбчатая, имеющая направленно встречный вид, или мелкозернистая дезориентированная), степенью развития внутрикристаллической ликвации и скоростью возникновения и роста напряжений в сварном соединении.

Как указывалось, сварное соединение находится под воздействием растягивающих напряжений, возникающих и возрастающих вследствие несвободной усадки шва и охлаждаемых участков неравномерно нагретого основного металла. В связи с этим металл шва после кристаллизации в процессе охлаждения подвергается пластической деформации. От запаса пластичности и прочности металла шва при высоких температурах (несколько выше или ниже температуры конца затвердевания) зависит склонность его к образованию горячих трещин.

Известно, что реальные сплавы (в том числе металл сварных швов) при температурах конца и ниже конца затвердевания обладают в местах стыка кристаллитов (дендритов) весьма низкой прочностью и пластичностью, обусловленной внутрикристаллпческой (внутридендритной) химической неоднородностью примесей, имеющих более низкую температуру плавления, чем данный сплав. Такими свойствами металл обладает в определенном интервале температур и при значительной ликвации.

При снижении температуры ниже критического интервала прочность и пластичность металла на границах кристаллитов возрастают. Если растягивающие напряжения в сварном соединении возникают и быстро растут, когда металл шва находится в опасном интервале температур, то в нем может возникать хрупкое межкристаллитное разрушение - горячие трещины. Если напряжения возникают при температуре ниже критического интервала, когда металл приобрел в межкристаллитных зонах достаточную прочность и пластичность, то они вызывают лишь пластическую деформацию по границам кристаллитов (сдвиги одних зерен относительно других) либо (чаще) в объемах кристаллитов; межкристаллитное разрушение металла в этом случае не произойдет.

Сопротивление металла шва образованию горячих трещин тем больше, чем меньше и выше расположен температурный интервал хрупкости, а также чем выше пластичность и прочность металла в этом критическом интервале температур. Чем больше содержится серы, углерода, кремния, ниобия и других ограниченно растворимых примесей в металле шва и, следовательно, выше степень их ликвации, тем больше температурный интервал хрупкости, ниже он расположен и меньше пластичность и прочность металла в этом интервале.

Для уменьшения склонности углеродистого, низколегированного и среднелегированного металла сварных швов к образованию горячих трещин принимаются следующие меры:

а) устанавливаются режимы сварки, обеспечивающие получение наиболее благоприятной формы шва;

б) используются сварочные материалы, обеспечивающие минимальное содержание в шве серы и фосфора, а также углерода, вредное влияние которого заключается в усилении ликвации серы;

в) повышается содержание в шве марганца, связывающего серу в тугоплавкое соединение MnS и предотвращающего тем самым ее ликвацию;

г) вводятся в шов модифицирующие элементы (титан, алюминий и др.), измельчающие первичную структуру металла и предотвращающие образование ориентированной столбчатой структуры;

д) вводятся в шов элементы, обеспечивающие двухфазную мелкозернистую структуру металла (например, аустенитно-ферритную или аустенитно-карбидную при сварке аустенитных сталей);

е) применяется предварительный и сопутствующий подогрев изделия при сварке конструкционных сталей, уменьшающий величину и скорость нарастания растягивающих напряжений в сварном соединении и смещающий момент их возникновения к тому времени и к таким температурам, когда металл шва в межкристаллических зонах приобретает достаточную пластичность и прочность.

В последнем случае уменьшением воздействия силового фактора в опасном интервале температур предупреждается образование горячих трещин даже при более выраженной дендритной неоднородности (ликвации), обусловленной замедленным остыванием шва. Это, однако, не относится к сварке аустенитных сталей, предварительный подогрев которых не только не предотвращает образование трещин, а, наоборот, увеличивает вероятность их образования (рис. 38) вследствие преобладающего влияния размера столбчатых кристаллитов металла шва по сравнению с влиянием уменьшения величины и интенсивности нарастания напряжений, а также вследствие повышения дендритной неоднородности.

Если горячие трещины в шве (чаще при сварке конструкционных сталей) вызываются выделившимися в процессе кристаллизации сульфидами, то предотвратить вредное влияние последних можно путем выделения их из расплава на ранней стадии затвердевания металла. Вследствие этого они располагаются в виде разобщенных и укрупненных глобулярных включений, а не в виде пленок. Это достигается введением в ванну некоторого количества кислорода, а также модификаторов (титана, циркония и др.). Полезно в этом случае измельчение зерна металла шва.

(рис. 38) Зависимость стойкости против образования горячих трещин в низколегированных швах от содержания в них углерода и предварительного подогрева основного металла при автоматической сварке под флюсом АН-348А (а) и стойкости против горячих трещин высоколегированного стабильноаустенического металла шва типа 05Х23Н28МЗДЗТ от температуры предварительного подогрева основного металла при сварке под флюсом АН-18 (б) на обычных режимах: V_кр — максимально возможная деформация шва, при которой еще не образуется в нем горячих трещин

При сварке аустенитных сталей кроме обеспечения двухфазной аустенитно-ферритной, аустенитно-карбидной или аустенитно-боридной структуры металла шва (в некоторых случаях это недопустимо), чтобы предотвратить образование горячих трещин, снижают содержание серы, фосфора и кремния в шве (путем снижения их в проволоке), а также применяют легирование шва молибденом, вольфрамом, марганцем и титаном, азотом, а лучше марганцем вместе с азотом. Иногда с этой целью применяют низкокремнистый высокоокислительный флюс АН-18, обеспечивающий выгорание кремния и серы, уменьшение содержания водорода в шве и измельчение его зерна. Для сварки высокохромистых мартенситных сталей с той же целью рекомендуется применять низкокремнистый окислительный флюс АН-17.

Кроме того, применяют ряд дополнительных технологических мер повышения трещиноустойчивости: уменьшение погонной энергии сварки (тепловложения) путем уменьшения сварочного тока и напряжения, дополнительный подогрев сварочной проволоки, применение сварки спаренными расщепленными в поперечном и продольном относительно оси шва направлении электродами, снижение скорости сварки, благодаря чему уменьшается угол между направлением растущих кристаллитов и продольной осью шва, применение электромагнитного воздействия на дугу и сварочную ванну (электромагнитного перемешивания) и др.

Большинство исследователей полагают, что горячие трещины в углеродистых и низколегированных швах по своей природе являются преимущественно кристаллизационными (надсолидусными), т. е. образующимися в момент еще не полностью закристаллизовавшегося металла, и располагаются по жидким прослойкам (пленкам) веществ с весьма низкой температурой плавления по сравнению с температурой плавления основы металла (твердого раствора).

Что касается аустенитного металла швов, то убедительно показано, что в зависимости от их состава, наличия или отсутствия в них легкоплавких соединений эвтектического типа такие швы могут иметь либо подсолидусные горячие трещины (рис. 39, а), образующиеся после полного затвердевания металла, либо надсолидусные (кристаллизационные) (рис. 39, б), образующиеся в твердо-жидком состоянии металла. Первые из них образуются вследствие наличия повышенного количества вредных примесей (серы, фосфора, кремния, водорода) в твердом растворе пограничных слоев вторичных границ кристаллитов с повышенной разрыхленностью решетки этих границ, обуславливающих низкую их высокотемпературную пластичность и прочность.

(рис. 39) Горячие подсолидусные трещины в шве типа 06Х23Н28МЗДЗТ, содержащем 0,35 Si (а) и горячие надсолидусные (кристаллизационные) трещины в шве типа 05Х21Н24МЗДЗС2Б, содержащем 1,5% Si и 0,5% Nb (б)

Для предотвращения таких трещин швы, кроме снижения содержания отмеченных вредных примесей, легируют молибденом, вольфрамом, марганцем или лучше марганцем совместно с азотом, применяют электромагнитное воздействие на дугу и сварочную ванну, выполняют сварку на скорости 10 м/ч и менее.

Момент возникновения горячих трещин в аустенитных швах, в которых образуется эвтектическая фаза, зависит от температуры плавления этой фазы и от величины и темпа нарастания растягивающих сварочных напряжений и деформаций в металле шва. В швах, содержащих значительные количества эвтектических соединений с низкой температурой затвердевания, намного ниже температуры затвердевания основы металла шва, трещины образуются в момент пребывания его в твердо-жидком состоянии.

В случае же, когда образующаяся эвтектическая фаза имеет сравнительно высокую температуру затвердевания (например, 1114°С в швах 03X8H20C6 на стали такого же состава), лишь немногим ниже температуры кристаллизации основы металла (1337—1289°С), то при малых значениях растягивающих продольных деформаций металла шва, например при дуговой сварке сравнительно тонких широких пластин продольным швом с полным проваром, горячие трещины в нем образуются после полного затвердевания, в том числе и после затвердевания эвтектической фазы.

При высоких значениях растягивающих деформаций металла таких швов (при сварке узких пластин) горячие трещины в них образуются во время пребывания металла в твердо-жидком его состоянии. Для предотвращения таких горячих трещин прибегают к усложненной технологии сварки — применению электромагнитного перемешивания металла сварочной ванны и сварке на скоростях менее 10 м/ч, а также вводят в металл шва модификаторы, измельчающие его структуру.

При сварке углеродистых и низколегированных конструкционных сталей, чтобы предотвратить образование горячих трещин, чаще швы легируют марганцем, применяя для этого соответствующую проволоку и флюс.

На рис. 40 схематически показана зависимость между содержанием углерода, серы и марганца и образованием горячих трещин в сварных угловых швах, выполняемых на конструкционной стали автоматической сваркой под флюсом АН-348. При увеличении содержания серы и углерода для предотвращения образования горячих трещин в швах на конструкционных сталях необходимо повысить содержание марганца. Увеличение содержания углерода более 0,16% в таких швах даже при содержании до 0,03% серы затрудняет предотвращение образования горячих трещин. Для этого необходимо уменьшить погонную энергию сварки, повысить коэффициент формы шва (отношение его ширины к глубине проплавления), выполнять сварку на режимах, обеспечивающих направление роста кристаллитов так, чтобы их оси имели бы максимальный изгиб в центре шва, т. е. минимальный угол направления кристаллитов с осью центра шва по его длине.

(рис. 40) Влияние марганца и серы при различном содержании углерода на склонность угловых низколегированных швов к горячим трещинам (коэффициент формы шва 1,5)

При электрошлаковой сварке горячие трещины образуются преимущественно в центре шва при значительной глубине металлической ванны, обусловленной применением повышенного сварочного тока (большой скорости подачи электрода) и взаимно встречным направлением кристаллитов, растущих от противоположных стенок свариваемого металла к центру шва (рис. 41). Значительно более трещиноустойчивым является электрошлаковый шов с макроструктурой, показанной на рис. 35, а. То же самое относится и к швам, выполняемым дуговыми методами сварки, причем как углеродистых низколегированных и среднелегированных конструкционных сталей, так и высоколегированных.

(рис. 41) Горячие трещины в сварных швах, выполненных электрошлаковым способом при повышенной скорости подачи электродной проволоки: а - разрез вдоль шва, б - разрез поперек шва

Холодные трещины могут образовываться в закаливающихся сварных швах и в околошовной зоне основного металла, склонного к закалке. Появление их связано с увеличением объема металла при образовании мартенсита.

Холодные трещины образуются при распаде аустенита в области низких температур (290°С и ниже), больших объемных тепловых напряжениях в сварном соединении, появлении крупных пластин мартенсита и др. Эти факторы определяются химическим составом металла (главным образом содержанием углерода, а также хрома, фосфора, кремния и др.), его толщиной и скоростью охлаждения после сварки. Чем толще свариваемый металл и меньше погонная энергия сварки, тем больше склонность его (а также металла шва) к закалке и больше вероятность образования холодных трещин в шве или в околошовной зоне.

Холодные трещины зарождаются на границах зерен (чаще всего на стыке трех зерен), а затем с течением времени (от нескольких минут до нескольких суток после остывания шва) распространяются как по границам, так и по телу зерна. Чаще всего холодные трещины появляются в швах на среднелегированных, а также высоколегированных сталях мартенситного класса. В отдельных случаях при неправильной последовательности сварки пересекающихся соединений в металлоконструкции в шве (независимо от химического состава металла и термического цикла сварки) могут возникать холодные трещины. Например, если на цилиндрическом толстостенном сосуде, собранном из нескольких несваренных обечаек, сначала сварить кольцевые швы, а затем продольные, то в последних (вблизи кольцевых швов) могут образоваться трещины.

Повышенное содержание водорода в затвердевшем и остывшем металле шва способствует образованию в нем холодных трещин.

После завершения кристаллизации и последующего остывания металла шва выделение из него водорода не прекращается. Даже при комнатной температуре из перенасыщенного твердого раствора металла может довольно длительное время выделяться водород. Причем водород выделяется не только в атмосферу, но, как выше отмечалось, и в мельчайшие дефекты кристаллической решетки металла. Скопляясь в дефектных полостях металла под большим давлением, водород создает в нем дополнительные напряжения. Эти напряжения в сочетании со структурными и сварочными остаточными напряжениями способствуют образованию и развитию холодных трещин.

Предупредить образование холодных трещин в швах можно выбором наиболее рационального метода легирования металла шва, применением сварочных материалов с минимальным содержанием водорода и влаги; применением (при необходимости) предварительного и сопутствующего подогрева изделий при сварке; выбором оптимального режима сварки и правильной последовательности наложения швов; применением проковки швов для снятия напряжений и другими технологическими методами.