Водородная гипотеза образования холодных трещин.

Растворяясь в металле водород, обычно, находится в атомарном состоянии. Причём в металле сварного шва, который в ходе сварки поглощает водород, его всегда будет больше, чем в основном металле. После этого атомарный водород из металла шва диффундирует в ОШЗ. Причём этот атомарный водород в ходе диффузии концентрируется в микропустотах и в несовершенствах кристаллической решётки. В ходе остывания атомарный водород соединяется в молекулы и увеличивается в объёме. В результате возникает высокое давление, и в соседних участках металла появляются остаточные сварочные напряжения. Если величина напряжения больше деформационной способности металла, то образуется холодная трещина. При сварке титановых сплавов образование холодных трещин связано с образованием гидридов (ОН), которые к увеличению сварочных напряжений. Гидридные превращения начинаются с 325С и продолжаются до комнатной температуры. При сварке титановых -сплавов с суммарным содержанием O₂ и N₂ 0,17% достаточно 0,01% водорода чтобы образовалась холодная трещина.

Внешние признаки холодных трещин.

1. Трещины проходят как по границам зёрен, так и через тело зерна. Они более ровные, чем горячие трещины.

2. Трещины располагаются как в шве, так и в ЗТВ.

3. Поверхность излома трещины блестящая, светлая.

Пути уменьшения склонности сварных соединений к образованию холодных трещин.

1. Выбирать металл с низким содержанием следующих элементов: C, Mn, Ni, Cr, Mo. Это позволит снизить склонность металла шва к закалке. Склонность металла к холодным трещинам можно оценить по эквивалентному содержанию углерода:

Если С_э > 0,45, то металл склонен к холодным трещинам при дуговой сварке.

2. Обеспечивать однородность химического состава и структуры шва и основного металла. Цель – уменьшить разность сварочных напряжений на границе между швом и металлом.

3. Ограничивать содержание водорода в сварном шве. Для этого необходимо просушивать флюсы, обмазки, газы. Предпочтительно сваривать на постоянном токе прямой полярности. Это уменьшает наводораживание шва из-за электрического поглощения газа.

4. Регулировать термический цикл сварки, замедляя охлаждение шва (варить с малой скоростью). 150 – 300С – самоотпуск мартенсита.

5. Применять предварительный и сопутствующий подогрев до температуры 200 – 300С, что снижает погонную энергию, уменьшает нагрев и скорость охлаждения.

6. Применять общую или местную термообработку сразу после сварки.

7. Уменьшать жёсткость сварной конструкции и жёсткость закрепления её элементов.

8. Применять аустенитные швы (сваривать электродами или проволоками из аустенитных металлов).

9. Причины образования пористости при сварке. Механизм образования пор при сварке плавлением.

Пористость – основной и опасный дефект сварного шва. Образование пор связано с условиями насыщения Ме газами и их выделения при кристаллизации, в результате снижения растворимости или протекания химических реакций.

Основные реакции, в результате которых образуются нерастворимые в Ме газы:

1. ; 2. ; 3. ;

4. ; 5.

Растворимость газа в жидком Ме больше, чем в твёрдом. Поэтому при затвердевании сварного шва, газы выделяются из кристаллов Ме.

На практике полного удаления газов не происходит. Возникновение пузырька газа возможно, если сумма парциальных давлений, выделившихся газов больше внешнего давления:

1. Поры, наблюдаемые в сварных швах, связаны с процессом выделения газов в макро- и микрообъёмах. При объёмном пересыщении Ме сварочной ванны газами вызванном уменьшением растворимости из-за снижения температуры Ме образуются макропоры. Причём развитие пузырька идёт в основном в результате диффузии газов из окружающих объёмов Ме (конвективная диффузия). Скорость роста пузырька определяется двумя факторами: степенью пересыщения ванны газами и скоростью десорбции газов в зародыше.

2. При локальном пересыщении жидкого Ме зарождение и развитие пузырька наиболее вероятно у фронта кристаллизации, на стадии остановки роста кристаллитов. Развитие пузырька идёт вследствие диффузии ионов или атомов газа из прилегающих микрообъёмов Ме. Размеры пузырька определяются длительностью остановок в росте кристаллитов. При кристаллизации первых слоёв и длительности остановок 0,1 – 0,2 секунды (характерны для употребляемых режимов сварки) начинают образовываться мельчайшие поры у линии сплавления. Роль азота в образовании пор при отсутствии конвективной массопередачи не велика.

3. Газом, вызывающим пористость швов при сварке электродами с рутиловым и рудно-кислым покрытием является в основном водород. Выделяющиеся N₂ и СО играют незначительную роль.

4. Увеличение окислительного потенциала рудно-кислого покрытия позволяет только снизить абсорбцию водорода, однако реальное содержание водорода в Ме остаётся близким к его растворимости в Ме.

5. Введение значительного количества C, Si, Al в рудно-кислое и рутиловое покрытие приводит к повышению содержания в Ме шва водорода до значения, превышающего его растворимость в Ме. Вероятность образования пор резко возрастает.

6. Введение в покрытие материалов, содержащих кристаллизационную влагу, способствует интенсификации выделения газов из ванны и снижению пористости швов. К таким материалам относятся слюда, тальк, каолин.

7. Увеличение силы тока приводит к повышению абсорбции водорода каплями электродного Ме и ванной. При достижении определённых токов содержание водорода в ванне превышает его растворимость, и вероятность пористости резко увеличивается.

8. Подавление восстановительных процессов путём повышения основности шлака, а также введение карбонатов в покрытие и окисление Si водным паром способствует увеличению скорости выделения водорода. Этот метод интенсификации выделения водорода используется при создании промышленных марок электродов серии АНО.

9. Поры, обнаруженные в швах при сварке длинной дугой электродами с карбон-флюоритным покрытием (CaCO₃ + CaF₂), вызваны выделением азота. Вследствие плохой смачиваемости капель электродного Ме и ванны шлаками электродов того же типа создаются условия для непосредственного контакта Ме с газовой фазой и, следовательно, повышения абсорбции азота.

10. При увлажнении карбон-флюоритного покрытия незащищённый шлаком Ме энергично абсорбирует водород из атмосферы дуги. Высокое содержание Si в Ме тормозит выделение водорода, следовательно, способствует образованию пор. Установлено, что при влажности покрытия больше 2% содержание водорода в Ме шва превышает его растворимость.

11. Менее надёжная защита Ме от воздуха при сварке порошковой проволокой открытой дугой приводит к значительно абсорбции азота Ме. Поэтому при сварке порошковой проволокой решающее влияние на пористость оказывает выделяющийся из ванны азот. Для предупреждения выделения азота в виде газовой фазы предлагают легировать Ме присадочной проволоки Ti и Al, дополнительно защищать зону сварки CO₂ или применять проволоку двухслойной конструкции (это удорожает процесс).