1.2. Особенности сварки высокопрочных сталей

Повышенный уровень содержания углерода и легирующих элементов, требуемый высокий уровень механических свойств сварных соединений вызывают появление следующих специфических трудностей возникающих при сварки этих сталей:

1. сложность предупреждения возникновения холодных трещин в околошовной зоне;

2. трудность предупредить образование кристаллизационных трещин в металле шва, возникновение которых обусловлено повышенным содержанием углерода и некоторых легирующих элементов (W, Mo);

3. невозможность получения металла шва, околошовной зоны и сварного соединения в целом равноценного свойствам основного металла.

1.3. Трещины в сварных соединениях высокопрочных сталях

1.3.1. Холодные трещины

Опасность резко возрастает с увеличением прочности сварных соединений. Холодные трещины возникают на участке перегрева околошовной зоны. Отличительной особенностью этих холодных трещин является замедленный характер их развития. Они зарождаются через некоторое время после сварки, а затем медленно, на протяжении нескольких часов и даже суток развиваются как вдоль шва, так и по толщине свариваемого материала.

П ример: сталь 30ХГСА, однослойный стыковой шов, размер образцов 500х200х14 мм.

Режимы: ток постоянный обратной полярности I = 600 А, U = 32 В, V_СВ = 18 м/ч, присадочная проволока Св08А d_П.П. = 3 мм.

Первые околошовные трещины (отколы) через 20 – 25 мин по границам крупных зёрен непосредственно перемыкающих ко шву, Т_ШВА  130 ⁰С, через 1 час 3 – 4 трещины.

Через 3 часа их количество увеличивается до 10. Отдельные трещины развиваются как по длине, так и по толщине пластин, сливаясь в одну.

Через 24 – 30 часов образуются трещины протяжённостью до 300 мм и глубиной до 4 мм., невидимые невооружённым взглядом.

Через 48 часов трещины обычно становятся сквозными.

Рис. 1. Зарождение и развитие трещин.

В зависимости от места расположения и направления развития выделяют пять видов холодных трещин (рис. 2):

1. продольные околошовные трещины (отколы);

2. продольные трещины в зоне сплавления (отрывы);

3. продольные трещины металла шва;

4. поперечные трещины в околошовной зоне;

5. п оперечные трещины в металле шва.

Рис. 2. Виды холодных трещин

Наиболее часто из перечисленных трещин встречаются отколы. Образование отрывов наблюдается в сварных соединениях из закаливающихся сталей, металл шва которых имеет аустенитную структуру. Поперечные трещины встречаются значительно реже. Чаще всего они образуются при многослойной сварке и только при определённых условиях поперечные трещины могут распространятся в основном металле и металле шва.

Можно считать, что при одних условиях ограничение содержания водорода в металле шва предупреждает образование холодных околошовных трещин, а в других случаях никакого влияние на процесс образования холодных трещин не оказывает. Так при сварке стали 30ХГСА толщиной до 15 мм. использование постоянного тока взамен переменного в 1,5 – 2 раза снижает содержание водорода в металле шва и позволяет предотвратить образование трещин. Однако при сварке стали 30Х2Н2М предотвращает образование холодных трещин таким путём не удаётся. Причина – участки перегрева околошовной зоны, в ходе сварки металл закаливается, образуется крупноигольчатый мартенсит, он обладает высокой прочностью, но низкой пластичностью и вязкостью. Предупредить образование мартенсита при сварке в околошовной зоне высокопрочных сталей невозможно. В ходе остывания сварного соединения образуются значительные остаточные сварочные напряжения. Под действием этих напряжений, на границе околошовной зоны и металла шва напряжения меняют свой знак и величину образуются трещины – отколы.

Образование трещин – отрывов происходит по следующей схеме. Помимо перепада напряжений на границе шов – ОШЗ, наличие крупных зёрен в ОШЗ способствуют низкая пластичность и прочность зоны сплавления.

Поперечные трещины в металле шва и в околошовной зоне образуются в результате замедленного разрушения под воздействием соответственно продольных и поперечных сварочных напряжений. Рассмотрим механизм образования таких трещин:

На отдельных участках, особенно на стыках зерен, имеет место образование нормальных сварочных напряжений. Они вызывают образование микротрещины на стыках зёрен.

В реальных сплавах возможен другой механизм образования холодных трещин, связанный с наличием неметаллических включений Они распространяются либо по границам, либо в теле зерна, форма этих включений разнообразна, но самой опасной являются плёнкообразные. В результате воздействий термического и деформационного циклов сварки отдельные микровключения, соединяясь, образуют плёнки. В месте расположения таких включений зарождаются “надрывы”. Это особого вида горячие трещины являющиеся очагами для последующего зарождения холодных трещин. В ходе остывания этот надрыв из очага преобразуется в холодную трещину.

Отмеченное изменение чаще всего происходит в тех участках соединения, где максимальный перегрев околошовной зоны сочетается с высокими временными напряжениями растяжения (температура этого процесса приблизительно равна температуре солидуса). Наиболее часто такое явление проявляется при сварке кольцевых швов тонкостенных сосудов.

Все факторы, вызывающие упорядочение атомного строения по границам зёрен, затрудняют образование сдвигов по этим границам и способствуют вовлечению в пластическую деформацию тела зерна, существенно повышая стойкость металла сварного соединения против образования холодных трещин. Этому же способствуют факторы, исключающие появление в швах неметаллических включений.

Решающее влияние на стойкость высокопрочных сталей против холодных трещин оказывают: перегрев околошовной зоны, температурный интервал мартенситного превращения в этой зоне, а также скорость охлаждения околошовной зоны и металла шва в этом температурном интервале.

Чем меньше перегрев, медленнее охлаждение, выше температура мартенситного превращения, тем меньше нарушение атомного строения на границах зёрен и тем более затрудняется зарождение микротрещин. Чем выше пластичность мартенсита, тем меньше вероятность развития холодных трещин.

Рис. 3. Характер распределения сварочных поперечных напряжений.

Образование холодных трещин затрудняется и тем, что при повышении температуры мартенситного превращения и при замедленном охлаждении уменьшается перепад продольных сварочных напряжений на границах околошовной зоны – шов.

Трещин также не будет, если замедлить охлаждение в интервале температур мартенситного превращения, т.к. этот мартенсит подвергается “самоотпуску” и становится не склонным к замедленному разрушению.