Горячие и холодные трещины при сварке металлов и причины их образования

Горячие и холодные трещины при  сварке металлов и причины их образования

 

Дефекты при сварке металлов плавлением образуются вследствие нарушения требований нормативных документов к сварочным  материалам, подготовке, сборке и сварке соединяемых элементов, термической и механической обработке сварных соединений и конструкции в целом.

 

Согласно ГОСТ 30242-97 дефекты классифицируются на шесть групп: трещины, полости  и поры, твердые включения, несплавления и непровары, нарушение формы  шва, прочие дефекты (дефекты, не включенные в вышеперечисленные группы).

 

Трещина - это несплошность, вызванная  местным разрывом шва, которая может  возникнуть в результате охлаждения или действия нагрузок.

 Микротрещина - это трещина,  имеющая микроскопические размеры,  которую обнаруживают физическими методами не менее чем при 50-кратном увеличении. В зависимости от температуры, при которой образуются трещины, их условно подразделяют на горячие и холодные. Горячие трещины в сталях возникают при температуре, превышающей 1000 °С, а холодные - при более низкой. Трещины являются самым серьезным дефектом сварного соединения, как правило не подлежащим устранению.

 

Горячие трещины - это хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и околошовной  зоны, возникающие в твердожидком состоянии в процессе кристаллизации, а также при высоких температурах в твердом состоянии. Они извилисты, в изломе имеют темный цвет, сильно окислены, распространяются по границам зерен. По современным представлениям горячие трещины вызываются действием двух факторов: наличием жидких прослоек между зернами в процессе кристаллизации и деформациями укорачивания.

 

В интервале температур плавления  и полного затвердевания происходит миграция примесей и загрязнений  в межзеренные пространства. Наличие  между зернами жидкой фазы, примесей и загрязнений снижает деформационную способность шва и околошовной зоны. Неравномерность линейной и объемной усадок шва и основного металла при охлаждении приводит к возникновению внутренних напряжений, являющихся причиной появления микро- и макроскопических трещин как вдоль, так и поперек шва.

 

 Причинами образования горячих  трещин при сварке являются:

большое количество вредных примесей (особенно серы и фосфора) в металле  свариваемых заготовок;

наличие в металле шва элементов, образующих химические соединения с низкой температурой затвердевания (хром, молибден, ванадий, вольфрам, титан), нарушающие связь между зернами;

жесткое закрепление свариваемых  заготовок или повышенная жесткость  сварного узла, затрудняющая перемещение  заготовок при остывании.

 

 

Холодные трещины - это локальные  меж- или транскристаллические разрушения сварных соединений, образующиеся в  металле при остывании до относительно невысоких температур (как правило, ниже 200 °С) или при вылеживании  готового изделия. Холодные трещины в шве и переходной зоне расположены под любым углом ко шву - в изломе светлые или со слабыми цветами побежалости и возникают преимущественно при дуговой сварке низколегированной стали большой толщины. Чаще всего трещины возникают в переходной зоне вследствие неправильной техники сварки или неправильно выбранного присадочного материала. Для предупреждения образования холодных трещин применяют:

прокаливание флюсов и электродов перед сваркой;

предварительный подогрев свариваемых  заготовок до 250-450 °С;

ведение процесса сварки в режиме с оптимальными параметрами;

наложение швов в правильной последовательности;

медленное охлаждение изделия после  сварки;

проведение непосредственно после  сварки смягчающего отжига для снятия остаточных напряжений.

 

 

Общими причинами появления трещин, как горячих, так и холодных, в швах сварных соединений являются:

слишком высокая жесткость соединений;

слишком малый размер сварного шва  для данной толщины соединения;

несоблюдение или неправильный выбор технологии сварки;

дефекты в сварном шве;

t неправильная подготовка соединения  под сварку;

неудовлетворительное качество или  неправильный выбор типа электродов;

использование повышенных значений сварочного тока, которое может привести к  появлению крупнозернистых охрупченных участков структуры;

высокое содержание углерода или легирующих элементов в основном металле, не учтенное при выборе технологии сварки.

 Для предупреждения образования  трещин в швах сварных соединений  необходимо:

разрабатывать металлоконструкции и  технологию сварки, которые позволяют исключить применение соединений с высокой жесткостью;

при сварке изделий достаточно большой  толщины увеличивать размеры  сварных швов;

 не допускать при сварке  узких валиков, производить сварку  полноразмерным швом короткими участками по 200-250 мм;

выбирать последовательность выполнения сварных швов такой, чтобы максимально  долго оставлять незаваренными  концевые участки соединения, с тем  чтобы они обладали максимально  возможной подвижностью;

обеспечить сплошность и хорошее сплавление сварных швов;

в некоторых случаях обеспечить предварительный подогрев свариваемых  частей;

сборку соединений производить  с одинаковым и требуемым по технологии зазором, при необходимости для  выравнивания зазора применять стягивающие  сборочные приспособления;

не допускать при сварке завышенных по сварочному току режимов сварки;

по возможности сварной шов  делать многопроходным, так как однопроходные  швы могут быть более хрупкими, а в многопроходных швах происходит отжиг каждого предыдущего слоя;

разделку заполнять сразу после  завершения сварки корня шва, так  как воздействию напряжения чаще всего подвергается область корневого  шва.

 

Продольные, поперечные и др.виды трещин при сварке металлов

 

Продольная трещина - это трещина, ориентированная параллельно оси сварного шва. Продольные трещины могут возникать в металле сварного шва, на границе сплавления, в зоне термического влияния и в основном металле. Конфигурация трещин в основном определяется очертаниями линии сплавления основного металла и шва. Продольные трещины возникают как из-за наличия высокотемпературной хрупкости сплавов (горячие трещины), так и при замедленном разрушении металла (холодная трещина).

 

Продольные трещины в основном металле, смежном со сварным швом, возникающие из-за высокого напряжения, вызванного сжатием в сварном шве, называют скрытыми трещинами. Разрыв вызывается нарушением сцепления и связей вдоль рабочего направления основного металла. Трещины обычно проходят строго параллельно линии сплавления и внешне похожи на ступеньки.

 

 Большие сварочные напряжения, вызывающие скрытые трещины, в  большей или меньшей степени  присущи всем сварным соединениям,  особенно сварным швам больших  толщин. Основные причины, вызывающие  недопустимые сварочные напряжения, - это слишком жесткое соединение и несоблюдение или неправильный выбор технологии сварки. С уменьшением сварочных напряжений уменьшается вероятность появления скрытых трещин.

 Для снижения уровня сварочных  напряжений необходимо:

во время сварки допускать небольшие  перемещения свариваемых частей;

по возможности использовать многопроходную сварку;

производить проковку каждого слоя наплавленного  металла;

отжигать  готовое изделие при температуре 590-650 °С, продолжительность отжига составляет по одному часу на каждые 25 мм толщины  основного металла;

применять сварочную технологию, снижающую  вероятность образования скрытых  трещин;

применять сварочную технологию, при которой  все свариваемые части имеют  неограниченную свободу перемещения;

при сварке сталей, склонных к образованию горячих и холодных трещин, производить наплавку высокопластичного промежуточного слоя, если это позволяет получаемая прочность соединения.

 

 

При сварке тавровых соединений при  толщине металла более 20 мм следует  учитывать, что двухсторонний сварной  шов вызывает меньшие напряжения, чем односторонний. Двухсторонний сварной шов без разделки кромок имеет меньшие напряжения в околошовной зоне, чем двухсторонний с разделкой кромок и полным проплавлением корня. Односторонний сварной шов с большой величиной катета следует заменять на двухсторонний с меньшим катетом. Изменение формы разделки углового соединения является наиболее эффективной мерой предупреждения образования скрытых трещин. Наплавка мягкой, высокопластичной прослойки на 15-25 мм шире сварного шва и толщиной 5-10 мм или наложение на одну из поверхностей разделки высокопластичных валиков за счет пластической деформации мягкой прослойки позволяет в значительной мере уменьшить напряжения в околошовной зоне.

 

Поперечная трещина - это трещина, ориентированная поперек оси  сварного шва. Поперечные трещины могут возникать в металле. Ориентация связана с направлением продольных компонент сварочных напряжений. Причина их возникновения такая же, что и у продольных трещин.

 

 

Радиальные трещины - это трещины, радиально расходящиеся из одной точки. Трещины этого типа, расходящиеся в разные стороны, известны как звездоподобные трещины. Радиальные трещины могут располагаться в металле сварного шва, в зоне термического влияния и в основном металле. Конфигурация трещины определяется макроструктурой зон сварных соединений, а также характером внутренних напряжений. Причина их возникновения такая же, что и у продольных трещин.

 

Трещина в кратере - это трещина  в углублении на поверхности шва  в месте отрыва дуги. Трещины могут  быть продольными, поперечными и звездообразными. Конфигурация трещины определяется микроструктурой зон сварных соединений, а также характером термических, фазовых и механических напряжений.

 

Раздельные трещины - это группа не связанных друг с другом трещин. Они могут возникать в металле сварного шва, в зоне термического влияния и в основном металле. Конфигурация трещины определяется микроструктурой зон сварных соединений, а также характером термических, фазовых, лик-вационных и механических напряжений. Причина их возникновения такая же, что и у продольных трещин.

 

Разветвленные трещины - это группа трещин, возникающих из одной трещины. Они могут располагаться в  металле сварного шва, в зоне термического влияния и в основном металле. Конфигурация трещины определяется микроструктурой зон сварных соединений, а также характером термических, фазовых, ликвационных и механических напряжений. Причина их возникновения такая же, что и у продольных трещин.

 

Разновидности пор

 

Поры. Данный термин используется для  описания несплошностей глобулярной формы, полых по своей структуре. Подобные дефекты часто встречаются в металле сварных швов. По сути своей и по механизму образования очень напоминают включения, ибо являются результатом протекающих в сварочной ванне химических реакций. Поры отличаются от включений тем, что внутри пор чаще всего находится газ, а не твердое вещество, как у включений.

 

Источником появления газов, которые  содержатся в порах, являются газы, выделяющиеся из охлаждающегося металла  из-за уменьшения растворимости при  снижении температуры металла, и газы, образующиеся в результате химических реакций в металле сварного шва.

 

Пористость, за исключением случаев, когда она появляется в очень  больших количествах, как правило, не оказывает значительного влияния  на прочностные свойства сварных соединений.

 Появление в металле сварного  шва пор вызвано:

плохим качеством или неправильным подбором типа электродов;

неправильным выбором технологии сварки;

малым временем существования сварочной  ванны, газы не успевают выйти из расплавленного металла;

плохим качеством металла.

 

Слишком высокая температура увеличивает  сверх оптимального количество газа, растворенного в расплавленном  металле, что приводит к невозможности  выхода всего объема поглощенного металлом газа за время остывания шва. При  использовании повышенных токов для сварки покрытыми электродами может произойти избыточное выгорание раскисляющих элементов из покрытия электрода, что приводит к недостатку раскислителей, сохранившихся в металле шва, для взаимодействия с газами, содержащимися в расплавленном металле. Аналогичный эффект наблюдается при сварке с применением слишком большой длины дуги. Применение ряда мероприятий позволяет значительно снизить, а в некоторых случаях даже избежать образования пор и полостей в сварных швах. При сварке:

необходимо подбирать тип электродов, обеспечивающих получение качественных швов;

перемешивание жидкого металла  увеличивает время существования  сварочной ванны, что зачастую приводит к улучшению качества сварных  швов;

в сварных швах, выполненных в  виде серии узких валиков, наплавляемых без поперечных колебаний, обычно появляются цепочки пор; использование при сварке поперечных колебаний электрода часто устраняет пористость шва;

следует не допускать применения слишком  больших значений сварочного тока;

следует производить прокалку электродов перед сваркой;

при подозрении на плохое качество металла  проверить его на наличие сегрегации и включений.

 

 

Газовая полость - это полость произвольной формы, образованная газами, задержанными в расплавленном металле, которая не имеет углов. Газовая полость образуется в результате выделения газов при кристаллизации сварного соединения. Мелкодисперсные включения на поверхности границ раздела фаз служат центрами зарождения пузырьков газа.

Газовая пора - это газовая полость, обычно сферической формы, содержащая задержанный металлом газ. Поры образуются в результате перенасыщения жидкого металла газами, которые не успевают выйти на поверхность во время его быстрой кристаллизации.

 

Равномерно распределенная пористость - это группа газовых пор, распределенных равномерно в металле сварного шва (не путать с цепочкой пор). Сплошную пористость вызывает большое количество ржавчины и масла на кромках заготовок, а также влажный или крупный флюс.

Скопление пор - это группа газовых полостей (три или более), расположенных кучно с расстоянием между ними менее трех максимальных размеров большей из полостей. Вызывается локальным скоплением ржавчины или масла на кромках заготовок.