20. Холодные трещины в сварных соединениях. Механизм образования трещин в зоне термического влияния.

Холодные трещины образуются по окончании сварки или после наложения отдельных слоев (валиков) шва, когда темпера­тура в зоне сварного соединения оказывается ниже 150~250°С. Трещины возникают преимущественно в зоне термического вли­яния и реже — в металле шва сталей, имеющих после сварки за­калочные структуры. При этом трещины могут появляться по ис­течении некоторого времени после остывания сварного соедине­ния и затем медленно, на протяжении нескольких часов и даже суток, распространяться в металле. По своему расположению трещины могут быть продольными и поперечными, не всегда вы­ходить на поверхность, закрытыми и небольшой протяженности. Холодные трещины отличаются от горячих, прежде всего тем, что они неокисленные, менее разветвленные и менее раскрытые.

Механизм образования холодных трещин можно описать сле­дующим образом. В процессе охлаждения металла после сварки в зоне термического влияния закаливающихся сталей образуются в заметном количестве структуры мартенсита и бейнита, а также сложное напряженное состояние, обусловленное суммированием сварочных и структурных напряжений. Такие закалочные струк­туры, особенно на участке перегрева, отличаются хрупкостью и, как следствие, низкой сопротивляемостью раскрытию и распространению трещин. Известно, что критическое напряжение, тре­буемое для развития и вывода из «зародышевого» состояния тре­щины, у хрупких и малопластичных металлов в несколько раз меньше, чем у материалов, способных к пластической деформа­ции. Таким образом, структура сварного соединения, содержащая в зоне термического влияния хрупкую фазу, готова к восприятию и развитию трещин в случае их зарождения и образования в ме­стах залегания фазы.

Одновременно с формированием закалочных структур и рас­тягивающих напряжений в процессе сварки происходит насыще­ние расплавленного металла водородом, являющимся продуктом разложения попадающей в зону сварки влаги.

Из изложенного становится очевидным, что для образования холодных трещин в сварном соединении должны существовать следующие условия:

■ в зоне термического влияния (или металле шва) при ох­лаждении должны образовываться хрупкие закалочные структуры (мартенсит, бейнит), чувствительные к водороду;

• в зоне сварного соединения должен быть определенный минимум диффузионного водорода, источником которого является главным образом металл шва;

• на участке сварного соединения должны действовать рас­тягивающие остаточные напряжения.

Охрупчивание зоны термического влияния в результате фазового превращения зависит от химического состава стали и при­меняемого термического цикла сварки, который может выражать­ся, например, временем охлаждения t_8/5 в интервале температур 800-500°С. Чувствительность к охрупчиванию конструкционных низколегированных и легированных сталей в первом приближе­нии можно определить путем расчета угле|юдного эквивалента по формуле"

C_экв=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/ 15, %

Стали с С_экв>0,40-0,45% следует считать чувствительными к образованию хрупких закалочных структур и, как следствие, име­ющими предрасположенность к образованию холодных трещин при сварке.

21 .Возникновение напряжений и деформаций при сварке плавлением, их влияние на качество конструкции.

Высокотемпературный нагрев соединяемых элементов при сварке вызывает появление в них напряжений и деформаций, существенно затрудняющих производство сварных конструкций и ухудшающих их качество. С целью снижения сварочных напря­жений и деформаций принимают соответствующие решения, которые находят свое отражение в проектной и проектно-техно-логической документации и реализуются при изготовлении свар­ных конструкций.

Для понимания процесса образования напряжений и дефор­мации при сварке плавлением целесообразно рассмотреть нагрев металлического стержня в свободном состоянии и при нахожде­нии его в жестком несгибаемом металлическом каркасе (рис. 73).

Если стержень в свободном состоянии (рис. 73, а) нагреть до некоторой высокой температуры, то он достаточно заметно удли­нится на величину А/ в соответствии с формулой

где а — коэффициент линейного расширения; l — начальная дли­на стержня; T — разность между начальной и конечной темпе­ратурами стержня.

После охлаждения стержень восстанавливает свою первона­чальную длину l. При нагреве до температуры Т того же стержня, но помещенного в каркас (рис. 73, б), не позволяющий ему в ре­зультате термического расширения изменяться на величину l, происходит необратимая пластическая деформация сжатия стрежня, в результате чего при охлаждении он становится короче на величину l₁. Естественно, что пластические деформации на­чинают происходить, когда напряжения сжатия, развивающиеся в стержне при его нагреве, достигают предела текучести металла.

Е сли теперь стержень жестко связать с каркасом и лишить его возможности укорачиваться при охлаждении с температуры Т на величину l₁, то в стержне будут развиваться растягивающие на­пряжения (рис. 73, в). Одновременно в вертикальных элементах каркаса, непосредственно препятствующих укорачиванию стержня, под действием развивающейся в нем усадочной силы возникают напряжения сжатия.