Влияние различных факторов на вероятность образования горячих трещин

К факторам, влияющим на вероятность образования горячих трещин, от-носят: состав исходного материала, электродных проволок, электродных покрытий и флюсов, форму и конструкцию сварного соединения, т. е. большую роль в образовании горячих трещин играет химический состав используемых материалов.

1. Углерод резко снижает показатель технологической прочности, особенно при содержании более 0,25%.

2. Наиболее сильно по сравнению с другими элементами снижает А_кр сера, даже если ее содержание в металле составляет менее 0,10%. Практика подтверждает, что повышение содержания серы в основном металле или в сварочных материалах по сравнению со стандартной концентрацией всегда сопровождается опасностью возникновения горя-чих трещин в сварных швах.

3. Введение никеля более 4% вызывает снижение А_кр .

4. По условиям технологической прочности медь — нежелательная при-месь. При увеличении ее содержания до 1% наблюдается значительное снижение показателя технологической прочности.

5. Кремний при тех концентрациях, при которых он обычно содержится в сталях, практически не влияет на А_кр .

6. Введение марганца в состав стали значительно повышает ее сопротив-ляемость образованию горячих трещин, что объясняется ослаблением вред-ного влияния серы.

Из практики известно, что конструкции малой жесткости не склонны к об-разованию горячих трещин. Требования к сварочным материалам технологи-ческого назначения в этом случае не высоки. Придавая конструкции раци-ональную форму, можно влиять на величину пластических деформаций в ме-талле шва и уменьшать опасность образования горячих трещин.

При проектировании сварных конструкций и соединений нужно учиты-вать влияние их формы на вероятность образования горячих трещин при сварке и там, где это возможно, снижать жесткость деталей и сборочных еди-ниц.

Практика сварочного производства показывает, что появление горячих трещин возможно только при изготовлении конструкций из трудносвари-вающихся материалов или при серьезных нарушениях технологического про-цесса сборки и сварки изделия.

Известно также, что при сварке на морозе опасность возникновения горя-чих трещин возрастает. Это объясняется повышением скорости охлаждения сварного соединения, а также ростом скорости деформации.

Одной из технологических мер предупреждения горячих трещин является подогрев перед сваркой или в процессе сварки до 300…400 ^о C. Это снижает скорость охлаждения сварного соединения, снижает скорость пластических деформаций. Дальнейшее повышение температуры подогрева существенной пользы не приносит и лишь увеличивает расход трудовых и энергетических ресурсов.

Холодные трещины при сварке

Ранее отмечалось, что при сварке сталей, сохраняющих высокую плас-тичность в процессе охлаждения от ТИХ до температур окружающей среды, вероятность возникновения холодных трещин мала. При этом предполага-лось, что пластичность металла шва достаточно высока во всем диапазоне температур охлаждения, вследствие чего деформации протекают без разру-шения сплошности металла.

Если металл шва и околошовной зоны в процессе охлаждения претер-певает фазовые или структурные превращения, связанные с изменением его удельного объема и значительным снижением пластических свойств, трещины могут возникать и в области низких температур — ниже 500 ^о C. Подобные явления имеют место, например, при сварке закали-вающихся сталей. Такие трещины называют холодными.

Они могут быть поперечными (в шве, но чаще в околошовной зон), а также могут располагаться параллельно границе сплавления.

Появление холодных трещин связывают не только с фазовыми и струк-турными превращениями, продуктами которых являются структуры с низки-ми пластическими свойствами (например, мартенсит), но также с влиянием водорода и фосфора.

По сравнению с другими структурными составляющими мартенсит обла-дает высокой твердостью (НВ = 500…600), весьма малой пластичностью и повышенным удельным объемом. Мартенситные превращения основной час-ти аустенита обычно протекают при пониженных температурах (300…400 ^оC), когда металл уже приобрел значительную прочность, а распад остаточ-ного аустенита может протекать даже при температуре 200 ^оC и ниже. Поэ-тому образование в металле хрупкой прослойки с повышенным удельным объемом сопровождается появлением структурных напряжений, что способ-ствует возникновению холодных трещин.

Фазовые и структурные превращения протекают на участке околошовной зоны, металл которого нагревается до температур полиморфного превраще-ния (полиморфизм — переход одной структуры в другую: ). Мавртенсит — пересыщенный твердый раствор углерода в железе. Различают бесструктурный (безигольчатый, пластинчатый) мартенсит (гарденит), мелкоигольчатый и крупноигольчатый мартенсит.

Характер конечной структуры металла зависит от химического состава ос-новного металла и скоростей нагрева и охлаждения. Так, например, углерод и большинство легирующих элементов увеличивают устойчивость аустенита и уменьшают скорость его превращения в мартенсит. Поэтому легированный аустенит может распадаться при более низких температурах, чем нелигиро-ванный, и образовывать метастабильную структуру мартенсита.

Наибольшее влияние на характер структуры, образовавшейся в результате превращения аустенита в мартенсит, оказывает скорость охлаждения и дли-тельность пребывания аустенита в интервале температур наименьшей его ус-тойчивости ( ). Для каждой марки стали существует своя критическая скорость охлаждения в этом интервале температур, превышение которой приводит к появлению в структуре металла мартенсита.

Если скорость охлаждения при заданных параметрах режима и условиях сварки ниже критической, то распад аустенита произойдет в верхнем интер-вале температур (700…500 ^оC) и возможными продуктами превращения будут структуры типа перлит (сорбит или троостит). Перлит структурная составляющая железоуглеродистых сплавов, механическая смесь (эвтектоид) феррита и вторичного цементита.

По виду микроструктуры различают пластинчатый и глобулярный (зер-нистый) перлит. Тонкодисперсные разновидности перлита называются сорбитом, трооститом. (Отдельные структурные составляющие металла, об-разующиеся в результате взаимодействия его компонентов друг с другом, могут представлять собой твердые растворы — аустенит, феррит, мартенсит, химические соединения — цементит, механические смеси отдельных фаз — перлит).

Наличие легирующих добавок требует меньшую величину критической скорости охлаждения, что достигается различными способами, в том числе предварительным, сопутствующим подогревом или подогревом после свар-ки.

Основными параметрами термического цикла околошовной зоны являются:

1. максимальная температура нагрева Т_мак;

2. скорость нагрева в интервале температур 700…1000 ^оC;

3. скорость охлаждения в интервале температур 500…600 ^оC;

4. длительность нагрева от температуры, соответствующей температуре критической точки до температуры Т_мак;

5. длительность охлаждения от температуры Т_мак до температуры 723 ^оC.

Конечная температура металла околошовной зоны после охлаждения до нормальной температуры зависит от того, какая структура образуется в ней в процессе нагрева к моменту начала охлаждения, а также от структурных превращений при охлаждении.

При нагреве перлит и феррит околошовной зоны превращается в аусте-нит, карбиды полностью или частично растворяются в аустените, зерна аус-тенита растут, происходит выравнивание химического состава зерен аусте-нита (гомогенизация).

Повышение скорости охлаждения перегретого металла с укрупненным зерном может явиться причиной образования холодных трещин. Если же структура мелкозернистая (аустенитная), то при тех же повышенных скорос-тях охлаждения трещины могут и не возникнуть.

Вывод: термический цикл при сварке должен быть таким, чтобы в около-шовной зоне, где металл нагревается выше критических температур точек полиморфных превращений, критическая скорость охлаждения не была бы завышена.

При заданном химическом составе стали скорость охлаждения, а следо-вательно, и количество мартенситной фазы, можно в определенных пределах регулировать параметрами режима, предварительным подогревом, последо-вательностью наложения сварных швов, а также изменением форм и разме-ров сварных конструкций.

При сварке закаливающихся сталей значительную роль в образовании хо-лодных трещин играет водород. Растворенный в металла атомарный водород легко диффундирует в области с меньшей его концентрацией: в наружную поверхность сварного шва, затем в околошовную зону и в различные несплошности (поры. микропустоты и т. п.).

Водород может перемещаться вглубь металла ЗТВ, не вызывая его охрупчивания. Если же в металле ЗТВ образовалась закалочная структура, водород задерживается в ней, так как его диффузионная подвижность в мартенсите в несколько раз меньше, чем в феррито-перлитной структуре. Водород скапливается в порах, микропустотах, в местах зарождения других дефектов, переходит в молекулярное состояние и создает высокое давление, в результате чего появляются значительные микронапряжения и в металле появляются холодные трещины. Причиной хладноломкости может явиться и фосфор.