Горячие трещины в сварных соединениях.

Термины, описывающие горячие трещины в сварном соединении, даны в соответствии с ГОСТ 2638984.

Горячая трещина – дефект сварки, имеющий признаки хрупкого межкристаллитного

разрушения при высоких температурах. Горячие трещины могут быть кристаллизационного (ГТК) или ликвационного (ГТЛ) типа. Они проходят по зонам срастания кристаллитов в металле или по границам зерен в зоне сплавления, на поверхности разрушения которой обнаруживаются следы обособленной кристаллизации жидкого металла или шлака.

Горячая трещина подсолидусного типа (ГТП) – трещина, проходящая по границам зерен в литом металле шва или в металле зоны сплавления, на поверхности разрушения которой не обнаруживаются следы обособленной кристаллизации жидкой фазы.

Горячая подваликовая трещина (ГТМ) – трещина, возникающая при много-проходной сварке в металле предшествующего слоя при выполнении следующего.

Температурный интервал хрупкости (ТИХ) – разность между верхней Т_в.г и нижней Т_н.г границами температурного интервала образования горячих трещин: ТИХ  Т_в.г  Т_н.г.

Время пребывания в температурном интервале хрупкости – разность между временем достижения нижней и верхней границ ТИХ.

Стойкость против образования горячих трещин при сварке – способность металла образовывать шов без горячих трещин при сварке конкретного узла в установленных режимах сварки.

Критическая скорость сварки (С) – сравнительный показатель сопротивляемости образованию горячих трещин при сварке, определяемой минимальной скоростью сварки, при которой возникают трещины в образцах.

В зависимости от природы образования различают кристаллизационные и полигонизационные горячие трещины.

Кристаллизационные горячие трещины (ГТ) возникают при наличии твердой и жидкой фаз в процессе кристаллизации и располагаются в обогащенных примесями межкристаллитных пространствах.

Полигонизационные горячие трещины образуются при температуре ниже температуры солидуса и располагаются по участкам, где сосредоточены несовершенства кристаллической решетки, – по полигонизационным границам, преимущественно на тех же участках, которые совпадают с участками твердого раствора, обогащенными примесями, т.е. на участках, которые соответствуют бывшим границам при первичной кристаллизации.

Образованию горячих трещин способствуют следующие общие факторы:

- использование повышенных плотностей сварочного тока при наложении первого слоя многослойного шва толстостенных сосудов и изделий;

- недостаточный зазор между кромками деталей при электрошлаковой сварке;

- слишком глубокие и узкие швы при автоматической сварке под флюсом;

- выполнение сварочных работ при низкой температуре.

Кроме того, образованию горячих трещин в различных металлах способствуют приведенные ниже факторы:

а) при сварке сталей:

- сварка легированных сталей в жестко закрепленных конструкциях;

- примеси серы, фосфора и водородосодержащих фаз, (сера и фосфор могут попадать в металл шва из основного металла, флюсов и покрытия электродов, из присадочного материала, а водород – из основного и присадочного металлов, из защитного газа или флюсов, и атмосферы дуги);

б) при сварке алюминиевых сплавов:

- скопления эвтектических составляющих на границах крупных кристаллитов металла шва;

- недостаточная скорость охлаждения металла шва;

- увеличение содержания цинка относительно содержания магния, повышающее склонность к образованию горячих трещин;

в) при сварке титановых сплавов:

- активное поглощение при высоких температурах кислорода, водорода, азота (это вызывает резкое снижение пластичности и конструкционной прочности);

- низкая теплопроводность титановых сплавов, приводящая к увеличению времени пребывания сварного шва при высоких температурах и, как следствие, к интенсивному росту зерна;

г) при сварке медных сплавов:

- легкая окисляемость меди и ее сплавов в расплавленном состоянии, вызывающая образование закиси меди, которая при кристаллизации выделяется по границам зерен металла шва, снижая их пластичность;

- наличие в медных сплавах вредных примесей (висмута, свинца), вызывающих образование легкоплавких эвтектик, а также примесей серы и углерода, адсорбирующихся на границах кристаллитов, и легкоплавких эвтектик;

- недостаточное степень раскисления основного металла, наличие в нем кислорода, снижающего стойкость швов против образования горячих трещин;

д) при сварке магниевых сплавов:

- применение присадочного металла, по химическому составу отличающегося от состава основного металла, способствующего образованию пленочных выделений на границах кристаллитов, скоплению легкоплавких эвтектик и увеличивающего интервал кристаллизации за счет снижения температуру солидуса металла сварочной ванны.

Большую склонность к образованию горячих трещин проявляют никель и его сплавы, тугоплавкие металлы и сплавы. Это связано с крупнокристаллической дендритной структурой металла шва и выделением на границах кристаллитов примесей внедрения в виде различных соединений.

Для предупреждения горячих трещин при сварке рекомендуется:

- применение дополнительно присадочного металла, содержащего пониженное количество вредных примесей, которые способствуют образованию горячих трещин;

- уменьшение доли участия основного металла в металле шва за счет применения соответствующих видов и режимов сварки (сварка на малых токах, двумя дугами, по присадочной проволоке);

- выбор оптимального типа покрытия, флюса и состава сварочной проволоки;

- изменение первичной структуры металла шва и характера первичной кристаллизации путем подавления формирования столбчатой структуры, роста крупных первичных кристалллитов и образования разнонаправленных кристаллитов за счет введения в сварочную ванну модификаторов или механическим и электромагнитным воздействием на сварочную ванну.

Уменьшение величины растягивающих напряжений может быть достигнуто путем:

- рационального конструирования свариваемых узлов и элементов;

- уменьшения количества сварных швов и их и их рациональным распределением (рассредоточением);

- выбора оптимального типа разделки свариваемых кромок;

- устранения излишней жесткости узлов;

- применения рационального способа и режимов сварки;

- применения рационального порядка наложения швов;

- применения предварительного подогрева, обусловливающего отдаление момента возникновения растягивающих напряжений и снижающего скорость их нарастания в период, когда металл шва обладает пониженной пластичностью;

- выбора химического состава металла шва, оптимального для свариваемой детали;

- повышения коэффициента формы шва (отношение ширины шва к его глубине) до значений 1,3 - 5 за счет изменения режимов сварки.

Кроме того, предотвращению горячих трещин в сварных соединениях из различных металлов способствуют приведенные ниже факторы:

а) при сварке сталей:

- изменение химического состава металла шва в направлении уменьшения содержания в нем вредных примесей (сера, фосфор, углерод, кремний) и увеличения полезных элементов (марганец, хром, никель и др.) путем применения дополнительного присадочного металла, содержащего пониженное количество вредных примесей;

- введение в сварочную ванну модификаторов, таких, как алюминий, титан, ванадий, церий;

б) при сварке алюминиевых сплавов:

- использование модифицирующих добавок (цирконий, титан), вводимых в присадочные материалы;

- применение присадочных материалов, обеспечивающих более высокую пластичность сварного шва;

- применение схемы кристаллизации, обеспечивающей рациональное расположение дендритов путем регулирования направления теплоотвода при кристаллизации сварочной ванны;

в) при сварке титановых сплавов:

- сокращение времени пребывания металла при высоких температурах с целью предотвращения роста зерна и поглощения газов – кислорода, водорода, азота;

- соблюдение технологии сварки с целью предотвращения попадания влаги и загрязнений в зону сварки;

- проведение сварки альфа- и псевдоальфа сплавов титана на жестких режимах, а альфа  бета сплавов – на относительно мягких (скорость охлаждения 10–20 С/с);

г) при сварке медных сплавов:

- защита сварочной ванны от взаимодействия с кислородом (в свариваемом металле содержание кислорода не должно превышать 0,03 %);

- ограничение содержания вредных примесей (висмута, свинца), образующих легкоплавкие эвтектики и примесей серы и углерода, адсорбируемых на границах кристаллитов и на границах легкоплавких эвтектик;

- раскисление сварных швов алюминием, марганцем и титаном, использование церия и циркония в качестве модификаторов;

- проведение перед сваркой подогрева конструкций до 300 С;

- регулирование направления теплоотвода при кристаллизации шва с целью рационального расположения дендритов;

д) при сварке магниевых сплавов:

- выбор технологии сварки, обеспечивающей оптимальную погонную энергию и охлаждение шва;

- последовательное выполнение швов, обеспечивающее минимально возможное развитие усадочных и тепловых линейных деформаций;

- применение предварительного и сопутствующего подогревов, изменяющих характер распределения напряжений в сварных соединениях;

- конструирование сварной конструкции с обеспечением достаточной компенсации развивающимся в процессе сварки деформациям.

К основным технологическим мерам предупреждения горячих трещин при сварке никеля и его сплавов, а также тугоплавких металлов относятся следующие:

- применение присадочных материалов, обеспечивающих более высокую пластичность металла шва;

- обеспечение схемы кристаллизации металла сварочной ванны, приводящей к созданию рационального распределения осей дендритов путем регулирования направления теплоотвода при кристаллизации сварочной ванны;

- применение мер, ограничивающих остаточные напряжения в металле шва.

При обнаружении трещины необходимо произвести засверловку ее концов. Далее производится одно- или двусторонняя разделка трещины на всю ее глубину электро- или плазменно-дуговой строжкой, либо любым механическим способом (абразивным кругом, электро- или пневмозубилом, фрезерованием и др.).

Заварка дефектного участка производится любым рациональным способом, обеспечивающим отсутствие дефектов в сварном соединении.

Горячие трещины служат очагом хрупкого, усталостного, коррозионного разрушений конструкций или деталей в процессе изготовления или эксплуатации. Степень отрицательного влияния зависит от величины и количества трещин.

Горячие трещины в сварном шве

Горячие трещины, выходящие на поверхность шва, имеют темный (вследствие окисления) цвет в кристаллическом изломе. Горячие трещины, не выходящие на поверхность шва, имеют кристаллический излом серебристо-белого цвета без металлического блеска.

Горячие трещины, выходящие на поверхность шва, выявляются визуально, не выходящие – методами просвечивания и магнитного контроля (для сталей). Кроме того, внутренние горячие трещины выявляются металлографическими и фрактографическими методами.

Горячие трещины в металле шва образуются в процессе кристаллизации в месте стыка

столбчатых кристаллитов (зона слабины) или между соседними кристаллитами вследствие низкой прочности металла в интервале температур кристаллизации и возникновения и развития растягивающих напряжений, под воздействием которых металл шва подвергается пластической деформации, обусловленной усадкой металла.

Рис. 21.5. Вид крестовой пробы, предназначенной для оценки склонности сварных швов к образованию горячих трещин: а – внешний вид сварного шва с поперечными трещинами; б – макроструктура поперечного сечения крестовой пробы (алюминиевый сплав).

На процессы появления и развития горячих трещин оказывают влияние величина и скорость нарастания растягивающих напряжений, возникающих при кристаллизации металла шва и его последующем охлаждении, а также величина первичных кристаллов и наличие в металле шва структурных неоднородностей, которые являются одной из причин местной локализации упруго-пластической деформации.

Рис. 21.6. Горячие трещины в металле швов: а –внешний вид трещины по оси шва, выходящей наружу; б – макроструктура трещины по оси шва, выходящей наружу; в – макроструктура трещины по оси шва, не выходящей наружу; г – макроструктура трещины в межосных плоскостях, выходящей наружу; д – микрорельеф разрушения горячих (кристаллизационных) трещин. Разрушение по жидким прослойкам, ×100.

Температура образования горячих трещин в шве зависит от химического состава металла, определяющего его свойства в период кристаллизации, длительности температурных интервалов в процессе охлаждения.

Рис. 21.7. Характерная микроструктура горячей трещины в сварном соединении (алюминиевый сплав АМг5) 500.

Горячие трешины в зоне термического влияния

Горячие трещины в зоне термического влияния располагаются по границам частично оплавленных или следующих за ними зерен. Они могут располагаться по зоне термического влияния параллельно шву (продольные трещины) либо распространяться в основной металл или в металл сварного шва (поперечные трещины). Эти трещины развиваются по границам зерен основного металла в околошовной зоне, кратковременно нагретым выше температуры солидуса.

Горячие трещины в околошовной зоне выявляются двумя группами методов:

- неразрушающими – радиографическим, ультразвуковым, магнитным контролем;

- разрушающими – металлографическими и фрактографическими на шлифах и изломах.

Горячие трещины в околошовной зоне образуются при высоких температурах, когда границы зерен металла, прилегающие к зоне сплавления, находятся в твёрдо-жидком состоянии.

Рис. 21.8. Схематическое изображение горячих трещин в зоне термического влияния: а – поперечные; б – продольные.

Рис. 21.9. Околошовная горячая (кристаллизационная) трещина в зоне термического влияния, 200.

Горячие трещины в околошовной зоне могут образовываться и наблюдаться при малой глубине проплавления основного металла при всех видах сварки плавлением в случае применения режимов сварки с высокими значениями погонной энергии.

Для предотвращения образования горячих трещин в околошовной зоне рекомендуется:

- вести сварку с полным проплавлением кромок;

- применять основной металл, содержащий минимальное количество вредных примесей (кислород, водород, азот, сера и др.);

- применять основной металл, содержащий минимальное количество легкоплавких примесей (для сталей – серы, фосфора, для медных сплавов – висмута, свинца и т.д.);

- применять предварительную термообработку основного металла и свариваемых кромок для обеспечения пластичной мелкозернистой структуры;

- применять наклеп свариваемых кромок;

- применять перед сваркой предварительный подогрев кромок;

- снижать температуру солидуса металла шва относительно температуры солидуса основного металла в участках перегрева путем соответствующего выбора сварочных материалов (проволока, флюс, электроды и т.д.);

- осуществлять предварительный контроль наличия в основном металле строчечных и других видов сегрегаций неметаллических и прочих включений;

- снижать уровень напряжений в металле зоны термического влияния за счет выбора рациональной конструкции соединений.

Способы исправления горячих трещин в околошовной зоне сварных соединений аналогичны описанным выше.

Горячие трещины в околошовной зоне могут стать причиной (очагом) преждевременного разрушения конструкций и деталей в процессе изготовления или эксплуатации и резко снижают их конструктивную прочность.

Рис. 21.10. Микроструктура горячих (кристаллизационных) трещин в зоне термического влияния: а, б – по зоне сплавления, 200; в – сетка трещин в зоне термического влияния, 500; г – перпендикулярно зоне термического влияния, 200.

Холодные трещины в сварных соединениях

Холодные трещины образуются после окончания сварки в процессе охлаждения ниже температур 100–150 С или в течение последующего времени.

Разрушение может быть транс- или интеркристаллитное.

.

Рис. 21.11. Разновидность продольных холодных трещин в шве (схема): а – корневые; б – внутренние; в – поверхностные.

Рис.21.12. Разновидность холодных трещин в зоне термического влияния:

I – стыковое соединение; II – угловое соединение; 1 – продольные трещины;

2 – поперечные трещины (частокол); 3 – отрыв.

Холодные трещины имеют светлый блестящий излом без следов высоко-температурного окисления.

По отношению к металлу шва холодные трещины делятся на корневые и подваликовые.

Рис. 21.13. Виды холодных трещин: a – продольные околошовные трещины – отколы; б – продольные трещины в зоне сплавления – отрывы; в – поперечные трещины в металле шва; г – поперечные околошовные трещины.

Рис. 21.14. Холодные трещины в сварном шве (титановый сплав): а – поперечные трещины (внешний вид); б – микротрещина. 500.

Рис. 21.15. Холодные трещины в металле шва:

а – продольная, выходящая наружу, внешний вид;

б – продольная, выходящая наружу, макроструктура;

в – отрыв и продольная внутренняя, макроструктура;

г – продольные и поперечные, внутренние и выходящие наружу, темплет

Рис. 21.16. Холодные трещины в зоне термического влияния (макроструктуры):

а, б – продольные, поверхностные, параллельные зоне сплавления, отколы;

в – продольные, поверхностные и внутренние, идущие от зоны сплавления – отколы;

г – продольные, внутренние корневые – отколы;

д – продольные, внутренние подваликовые – отрывы;

е – продольные, поверхностные и внутренние – отрывы.

Рис. 21.17. Холодные трещины (макроструктуры): а, б – в металле шва, внешний вид; в – откол, отрыв

Рис. 21.18. Холодные микротрещины в металле шва: а – сталь (микроструктура), 200; б – поверхность излома (сталь), РЭМ, 1000.

По природе возникновения и виду холодные трещины делятся на отколы, отрывы и слоистые (ламелярные) растрескивания.

Наружные холодные трещины выявляются визуально при внешнем осмотре, неразрушающими методами контроля (люминесцентный, метод красок) и разрушающими методами контроля (металлографический, фрактографический).

Холодные трещины могут возникать во всех зонах сварного соединения и располагаться параллельно или перпендикулярно оси шва. Место образования и направления трещин зависят от химического состава шва и основного металла, соотношения компонентов сварочных напряжений и ряда других факторов.

Наиболее часто продольные холодные трещины начинаются с возникновения их очагов на участке околошовной зоны, примыкающей к линии сплавления.

Внутренние холодные трещины выявляются двумя группами методов:

- неразрушающими – ультразвуковыми, радиационными, магнитными (для сталей);

- разрушающими – металлографическими и фрактографическими (на шлифах или изломах).

Образование холодных трещин вызывается:

- изменением структуры металла в результате термического воздействия при сварке, приводящего к понижению его прочностных или пластических свойств по сравнению с аналогичными свойствами металла в состоянии поставки;

- увеличением сварочных напряжений I и II рода, обусловленных возникновением структурной неоднородности металла сварного шва и зоны термического воздействия;

- охрупчиванием металла шва при наличии в нем вредных примесей.

Основные факторы, обусловливающие образование холодных трещин, следующие.

При сварке сталей:

- структурное состояние металла сварных соединений, характеризуемое наличием хрупких составляющих мартенситного и бейнитного типа и размером действительного аустенитного зерна;

- уровень концентрации диффузионного водорода в зоне зарождения трещин;

- уровень растягивающих сварочных напряжений 1 рода;

Для низко- и среднелегированных сталей характерны отколы или подваликовые холодные трещины, образующиеся в результате мартенситного превращения аустенита в околошовной зоне или сварном шве;

Для легированных сталей возможны отрывы по зоне сплавления, происходящие в результате мартенситного превращения аустенита в зоне перемешивания основного и наплавленного металла;

Для феррито-перлитных сталей характерны слоистые растрескивания (ламелярные холодные трещины), представляющее собой скопление неметаллических включений в областях полосчатой микроструктуры;

У легированных бейнитных сталей возможны:1) продольные холодные трещины (отколы) в однослойных и в последних многослойных швах, образующиеся в результате превращения аустенита в области нижнего бейнита и насыщения металла сварочной ванны и околошовной зоны водородом; 2) поперечные трещины в многослойных соединениях (частокол), возникающие в результате сегрегации примесей на границах аустенитных зерен при повторном нагреве до 300–550 С и насыщения металла водородом;

Для мартенситно-стареющих сталей характерны холодные трещины в однослойных и многослойных сварных соединениях, образующиеся в результате насыщения водородом, сегрегации примесей и фазовых выделений на границах аустенитных зерен при повторном нагреве сталей до 500700 С;

Для высокохромистых ферритных сталей причиной образования ХТ является выделение карбонитридных фаз по границам зерен в процессе охлаждении после сварки;

Для высоколегированных сплавов железа с кобальтом и марганцем такой причиной является выделение интерметаллидных фаз и насыщение металла водородом;

при сварке медных, никелевых и титановых сплавов образованию ХТ способствуют:

- склонность к замедленному разрушению вследствие повышенного содержания водорода в сочетании с растягивающими напряжениями 1 рода (гидритное превращение и десорбционный эффект снижения прочности);

- увеличенное содержание кислорода и азота, которые резко снижают пластичность металла;

- высокий уровень остаточных сварочных напряжений и напряжений от внешней нагрузки.

Для предотвращения образования холодных трещин к основному металлу предъявляются дополнительные требования, выполнение которых обеспечивает химическую и структурную однородность. К основным из них относятся следующие:

- контроль наличия в металле включений неблагоприятной формы, а также дефектов типа расслоений, резко снижающих стойкость сварных соединений против образования околошовных холодных трещин;

- создание с помощью предварительной термообработки исходной структуры, обладающей минимальной реакцией на воздействие термического цикла сварки;

- применение методов сварки и сварочных материалов, обеспечивающих однородность металла шва и основного металла по химическому составу и структуре;

- уменьшение содержания растворенных газов (водорода, кислорода, азота) в основном металле и металле швов;

- замена переменного сварочного тока на постоянный;

- переход от флюсов мокрой грануляции к флюсам сухой грануляции; применение прокалки электродов и флюсов, осушки защитных газов;

- применение очистки свариваемых кромок и сварочной проволоки от масла, ржавчины и других загрязнений;

- удаление конденсированной влаги со свариваемых кромок подогревом ацетиленовым газовым пламенем;

- применение режимов сварки, обеспечивающих мелкокапельный или струйный перенос электродного металла;

- регулирование сварочного термического цикла путем применения оптимальных режимов сварки, предварительного, сопутствующего и последующего подогревов;

- применение термической обработки соединения после сварки (низкий или высокий отпуск) в период от момента окончания сварки до нижней границы температурного

интервала возникновения холодных трещин;

- уменьшение величины реактивных напряжений путем рационального конструирования узлов и элементов, уменьшения жесткости свариваемых элементов, количества и сосредоточения швов, выбора оптимального типа разделки кромок, рационального порядка наложения швов и др.

Кроме того, в случае необходимости осуществляют следующие мероприятия.

а) При сварке сталей:

-дополнительное легирование сварных швов в сталях карбидообразующими элементами: титаном, церием, ниобием, ванадием для торможения процессов рекристаллизации;

-сварку трудносвариваемых сталей аустенитными сварочными материалами;

-сварку с предварительной наплавкой кромок аустенитным или ферритным материалами, не склонными к закалке;

-выбор марки стали для сварных конструкций, обладающей требуемыми свойствами при возможно более низком содержании углерода и легирующих элементов, повышающих восприимчивость стали к закалке (соответственно ограничивают содержание этих элементов в металле шва).

б) При сварке титановых сплавов:

- сварку альфа и псевдоальфа сплавов на жестких режимах, а альфа  бета сплавов – на относительно мягких режимах (скорость охлаждения 1020 С/с);

‑меры, предотвращающие наводороживание сварных соединений титановых сплавов при эксплуатации, в связи с их склонностью к замедленному разрушению.

в) При сварке медных и никелевых сплавов:

‑ предварительный и сопутствующий подогрев при сварке;

- отжиг сварных конструкций с целью снятия напряжений в строго регламентированное время.

При обнаружении наружной холодной трещины производится засверловка её концов. Далее производится одно- или двусторонняя разделка трещины электро- или плазменно-дуговой строжкой либо любым механическим способом (абразивным кругом, электро- или пневмозубилом, твердосплавной фрезой и др.).

Заварка дефектного участка производится любым рациональным способом, обеспечивающим отсутствие дефектов в сварном соединении.

Холодные трещины служат очагом хрупкого, усталостного и коррозионного разрушения конструкции или детали в процессе их изготовления или эксплуатации. Степень отрицательного влияния зависит от величины и количества дефектов.

Холодные трещины относятся к наиболее опасным дефектам и по всем действующим нормативно-технологическим документам являются недопустимыми.