Раздел V. ПРЕВРАЩЕНИЯ В МЕТАЛЛАХ И ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ

НАЗАД: 5.1.3. Горячие трещины при сварке

5.2. Холодные трещины в сварных соединениях

В сварных соединениях как в металле шва, так и в ЗТВ ряда металлов образуются так называемые холодные трещины. Формальными их признаками являются:

- появление визуально наблюдаемых трещин практически после охлаждения соединения;

- блестящий кристаллический излом трещин без следов высокотемпературного окисления.

Холодные трещины относят к замедленному разрушению металла.

К образованию холодных трещин при сварке склонны углеродистые и легированные стали, некоторые титановые и алюминиевые сплавы.

При сварке углеродистых и легированных сталей холодные трещины могут образовываться, если стали претерпевают частичную или полную закалку. Схема изменения структуры и свойств для ЗТВ в случае сварки закаливающихся сталей показана на рис. 60.

Рис. 60. Схема изменения структуры и свойств ЗТВ при сварке закаливающихся сталей: 1 – участок закалки; 2 – участок неполной закалки; 3, 4 – участок отпуска

Холодные трещины возникают в процессе охлаждения после сварки ниже температуры 200 ⁰С или в течение последующих нескольких суток. Трещины могут образовываться во всех зонах сварного соединения и иметь параллельное или перпендикулярное расположение по отношению к оси шва.

В соответствии с геометрическими признаками и характером излома холодные трещины получила определенные названия: «откол» - продольные в ЗТВ, «отрыв» - продольные в зоне сплавления со стороны шва (аустенитного), «частокол» – поперечные в ЗТВ и др. (см. рис. 61). Наиболее частыми являются холодные трещины вида «откол».

Рис. 61. Виды холодных трещин в стальных сварных соединениях:

1 – откол; 2 – частокол; 3 – отрыв по зоне сплавления; 4 – продольные в шве; 5 – поперечные в шве

Холодные трещины менее разветвленные и менее раскрытые, чем горячие. Они не всегда выходят на поверхность, могут быть закрытыми и иметь небольшую протяженность. В этих случаях их трудно выявить. Для их выявления используют прежде всего УЗК.

Образование холодных трещин начинается с возникновения очага разрушения, как правило, на границах аустенитных зерен на околошовном участке ЗТВ, примыкающих к линии сплавления (рис. 62).

Рис. 62. Межкристаллитный характер холодных трещин

Протяженность очагов трещин составляет несколько диаметров аустенитных зерен. При этом разрушение не сопровождается заметной пластической деформацией и наблюдается практически как хрупкое. Это позволяет отнести холодные трещины к межкристаллитному хрупкому разрушению. Дальнейшее развитие очага в микро- и макротрещину может носить смешанный или внутризеренный характер.

Причины образования холодных трещин в сталях уже рассматривались в разделе 3.7.

Основными факторами, обусловливающими образование холодных трещин, являются:

1 - структурное состояние металла сварного соединения, характеризуемое наличием составляющих мартенситного и бейнитного типов;

2 - концентрация диффузионного водорода в зоне зарождения очага трещины, зависящие от концентрации водорода в атмосфере дуги, исходного содержания водорода в основном металле и других условий;

3 – уровень растягивающих сварочных напряжений I рода, определяемый жесткостью сварной конструкции, режимом сварки, типом металла шва и др. причинами.

Совместное влияние водорода и эквивалента углерода на образование холодных трещин в сталях приведено на рис. 63.

Рис. 63. Влияние водорода и эквивалента углерода на образование холодных трещин в сталях

Механизм и причины образования холодных трещин в титановых сплавах менее исследованы, чем для случая сварки сталей. Установлено, что они имеют характер замедленного разрушения. При этом период до разрушения значительно больше, чем у сталей, и может достигать нескольких десятков суток. Образование трещин связано с метастабильным состоянием металла шва и ЗТВ после сварки, обусловливающих их пониженную пластичность.

Склонность к холодным трещинам наблюдается при сварке некоторых высоколегированных термоупрочняемых алюминиевых сплавов систем Al-Mn-Zn и Al-Zn-Mg-Cu. Природа и механизм образования трещин еще недостаточно исследованы. Их возникновение связывают с выделением хрупких интерметаллидных фаз в процессе старения при охлаждении при сварке и в последующий период.

Сопротивляемость металла образованию холодных трещин называют технологической прочность металла в процессе фазовых превращений в твердом состоянии.

Способы оценки склонности к трещинам классифицируются по разным признакам. Прежде всего они делятся на косвенные и прямые.

Косвенные способы позволяют получать оценку склонности к трещинам расчетным путем без непосредственного испытания материалов.

Прямые способы предусматривают сварку технологических проб, специализированные испытания сварных соединений или образующих их материалов в условиях, имитирующих сварочные [21].

Целями испытаний являются:

- разработка новых сплавов с высокой стойкость против образования холодных трещин;

- разработка оптимальной технологии сварки имеющихся сплавов, исключающей образование холодных трещин.

При разработке расчетных методов определения склонности металлов к образованию холодных трещин применяют два основных методических подхода. Первый использует параметрические уравнения, полученные статистической обработкой экспериментальных данных. Они связывают выходные параметры (показатель склонности к трещинам, требуемую температуру подогрева и другие) с входными параметрами (химическим составом, режимом сварки и другие) без анализа физических процессов в металлах при сварке, обусловливающих образование холодных трещин. Поэтому их применение ограничено областью, в пределах которой изменялись входные параметры при проведении экспериментов. При этом часто не используется все многообразие факторов, влияющих на образование трещин, в том числе и существенно значимых.

При первом методическом подходе широко используются следующие параметрические уравнения:

1. Расчет значения эквивалента углерода С_экв:

; (5.12)

где символы элементов означают их содержание в сплаве в %.

Стали, у которых С_экв ³ 0,45 %, считаются потенциально склонными к образованию трещин. С_экв является обобщенным параметром состава стали, характеризующим ее прокаливаемость. При С_экв ³ 0,45 % при сварке становится возможным образование закалочных структур в металле сварного соединения, что при условии насыщения металла водородом и высоких сварочных напряжений может привести к образованию холодных трещин. Значение С_экв вне связи с этими условиями не может служить показателем действительной склонности сварного соединения к трещинам.

2. Расчет параметра трещинообразования P_w, % [22, 23]:

; (5.13)

, % (5.14)

где Н_гл – количество диффузионного водорода в металле шва, установленное глицериновым методом, см³/100 г;

К – коэффициент интенсивности жесткости, Н/(мм × мм);

К = К_о × d; К_о – постоянная, имеющая значения в пределах 200 ¸ 1000 Н/(мм²×мм) в зависимости от жесткости конструкции, для пробы «Тэккен 685» [5,22,24]; d - толщина стали, мм.

Для приближенных вычислений постоянную К_о можно принять равной 690 для стыковых сварных соединений толщиной до 150 мм [24].

При Р_w > 0,286 возможно образование холодных трещин в ЗТВ в корне сварного соединения типа пробы «Тэккен». Уравнение (5.13) получено статистической обработкой результатов испытаний с помощью пробы «Тэккен» применительно к низколегированным сталям с содержанием углерода 0,07 ¸ 0,22 % с пределом текучести 500 ¸ 700 МПа при сварке с погонной энергией q_п/V = 17 кДж/см. Использование уравнения (5.13) возможно для указанных составов стали и режима сварки.

Второй методический подход предусматривает анализ физических процессов в металлах при сварке, обусловливающих образование трещин. В этом случае используются концептуальные физические модели процесса разрушения при образовании трещин, аналитические зависимости законов металлофизики, регрессивные уравнения, описывающие характеристики и константы материалов на основе статистической обработки опытных данных. Такие расчетные методы имеют более универсальный характер, чем параметрические уравнения, и позволяют учитывать достаточно широкий ряд металлургических, технологических и геометрических факторов. Выполнение расчетов производится с помощью ЭВМ.

Расчет стойкости против холодных трещин стыковых сварных соединений жестко закрепленных элементов может быть выполнен с помощью компьютерных программ, разработанных на кафедре сварки МВТУ им. Баумана [3]. Программный комплекс «Свариваемость легированных сталей» позволяет выполнить расчеты кинетики физических процессов и их выходных параметров, определяющих показатели свариваемости.

Путем сопоставления действительных и критических факторов трещинообразования (структуры, водорода и напряжений) оценивается стойкость сварных соединений против холодных трещин.

Если условие стойкости против трещин не обеспечивается, то в автоматическом режиме счета определяются значения погонной энергии сварки, температуры подогрева, исходное содержание водорода в металле шва и жесткость закрепления свариваемых элементов, которые обеспечивают отсутствие холодных трещин.

Методами борьбы с образованием холодных трещин при сварке закаливающихся сталей являются:

- уменьшение степени закалки металла при сварке;

- снижение содержания водорода в металле шва и околошовной зоне;

- снижение содержания водорода в околошовной зоне при металле шва, не склонном к образованию трещин;

- уменьшение уровня сварных напряжений.

Холодные трещины в сталях вероятны, если скорость охлаждения при сварке превышает критическую, соответствующую образованию мартенситно-бейнитной структуре и определяемую по уравнению (3.82), либо из условия

С_экв > 0,78 – 0,15 lg W; (5.15)

Снижение скорости охлаждения осуществляется за счет увеличения тепломощности дуги, уменьшения скорости сварки или применения подогрева.

Расчет температуры подогрева возможен несколькими путями.

Д. Сефериан предложил [25] температуру предварительного подогрева определять по уравнению:

; ⁰С (5.16)

где

(5.17)

С_экв определяется по уравнению (5.12), а d - толщина свариваемого металла, мм.

В отечественной практике расчет температуры подогрева в основном определяют по уравнению (5.18):

; ⁰С. (5.18)

Японские исследователи температуру подогрева рекомендуют определять по уравнению:

Т_под = 1440 Р_w – 392; ⁰С (5.19)

Величину Р_w определяют по уравнению (5.13).

При любом значении С_экв температуру подогрева принимают не выше 450 ⁰С.

Предварительный подогрев сталей позволяет:

- уменьшить скорость охлаждения металла, что уменьшает степень мартенситных превращений, которые сопровождаются резким увеличением удельного объема металла, вызывающим появление структурных напряжений;

- способствует эвакуации водорода из сварных соединений в связи со значительным увеличением диффузионной подвижности водорода. Так, при нагреве до 200 ⁰С давление водорода в микрополостях снижается на три порядка;

- уменьшает разницу температур в зоне сварки и на периферийных участках, что снижает напряжения первого рода, вследствие чего пики этих напряжений в околошовных участках ЗТВ сглаживаются. Так, подогрев до 200 ⁰С уменьшает величину сварочных напряжений на 20 %;

- увеличивает пластичность металла, а следовательно, и его деформационную способность.

Следует отметить, что в отечественной практике стараются максимально избегать предварительного подогрева. Ограничение предварительного подогрева в практике наших предприятий осуществляется применением либо аустенитных, либо низководородистых электродов, не содержащих в покрытии органических веществ и подвергнутых перед сваркой высокотемпературной прокалке.

Уменьшение закалки металла шва может быть осуществлено за счет применения присадочных материалов с меньшим содержанием углерода, чем в основном металле, при одновременном уменьшении доли участия основного металла в металле шва.

Меры по уменьшению содержания водорода в металле шва изложены в разделе 4.2.4.

Для уменьшения вероятности образования холодных трещин при сварке закаливающихся сталей часто применяют термообработку после сварки. Чаще всего это высокий отпуск, позволяющий:

- снизить количество мартенситной фазы в металле;

- удалить диффузионный водород;

- на 80 ¸ 90 % уменьшить уровень сварочных напряжений в металле;

- повысить пластические свойства металла.

Иногда используют для удаления водорода термический отдых, заключающийся в выдержке сразу после сварки при температуре 150 ¸ 200 ⁰С в течение 12 ¸ 20 часов.

Методы уменьшения сварочных напряжений изложены в работе [22].

Более подробные сведения по рассматриваемой теме изложены в работах [2, 3, 5, 22, 23].

ДАЛЕЕ: Раздел VI. СВАРИВАЕМОСТЬ МЕТАЛЛОВ