МАТЕРИАЛЫ И ИХ ПОВЕДЕНИЕ ПРИ СВАРКЕ

Холодные трещины

Такие трещины являются локальными хрупкими раз­рушениями межкристаллитного (внутризереиного) и транскристаллитного (межзеренного) характера, возни­кающими в шве и зоне термического влияния сварного соединения при его остывании до температур ниже

300.. . 150 СС вследствие неблагоприятного изменения структуры и свойств металла. Формальными их призна­ками являются большая по сравнению с горячими тре­щинами протяженность, перпендикулярное или парал­лельное по отношению к шву расположение и блестящий кристаллический излом без следов высокотемператур­ного окисления Принятые в сварочной практике назва ния холодных трещин в зависимости от их расположе­ния показаны на рис. 8.6.

К образованию холодных трещин склонны углероди­стые, закаливающиеся низко - и все среднелегированные стали, а также часть высоколегированных термически обрабатываемых сталей, титановые и алюминиевые сплавы.

Особенностями возникновения и развития холодных трещин являются:

1) наличие подготовительного и инкубационного пе­риодов, определяющих время до появления очага разрушения и его развития до субмикротрещины;

2) определенный уровень прочности материала в со­стоянии после сварки, при котором происходит превращение субмикротрешины в трещину, на­блюдаемую визуально.

По современным представлениям определяющими для образования холодных трещин являются три причи­ны: структурный (закалочный) фактор, насыщение ме­талла водородом и повышенный уровень напряжений первого рода.

Переход исходной структуры в закалочную (появление достаточного количества мартенсита) происходит на участках полной или частичной перекристаллизации (закалки) металла сварного соединения (см. рис. 5.1). Закалка характерна для низколегированных сталей пер­литного класса с содержанием углерода более 0,25% и особенно резко проявляется в среднеуглеродистых и среднелегированных сталях перлитного, мартенситного и бейнитного классов. Закалочная гипотеза хорошо со­гласуется с опытными данными для однопроходных швов из сталей этих классов, но не всегда подтвержда­ется при сварке сталей других структурных классов. Использование «структурного фактора» не объясняет появления ламелярных трещин, возникающих из-за уменьшения сцепления неметаллических включений (FeS) с матрицей сплавов при нагреве и возникновения трещин в виде расслоений по толщине металла.

При многослойной сварке на первичную закалку на­кладываются процессы повторной закалки, различных стадий отпуска, видов старения и т. д., что может вызы­вать трещины повторного нагрева. Этот процесс объяс­няется, по-видимому, сегрегационными и фазовыми выделениями, приводящими к ухудшению свойств ме­талла шва или околошовной зоны (коагуляции карби­дов, выделение по границам зерен интерметаллидов и т п.). При многослойной сварке литых сталей образо­вание холодных трещин связывают с процессами дефор­мационного старения при Т — 200...300 °С [10].

Несмотря на указанное, «структурный фактор» ши­роко используется для предварительной качественной оценки свариваемости (склонности к холодным трещи­нам) экспериментальными (по твердости) и расчетно­статистическими (по значению Сэкв) методами.

Водород, которым насыщается металл сварного шва из атмосферы дуги, из основного и электродного металла, яв­ляется другим важным фактором, обусловливающим обра­зования холодных трещин. Это явление часто называют во­дородной хрупкостью. Причинами, обусловливающими появление холодных трещин в этом случае, являются:

1) способность диффузионного накопления водоро­да в микрообъемах металла шва и околошовной зоны, связанного с дефектами структурного харак­тера. С точки зрения уменьшения скорости диф­фузии водорода в углеродистых сталях структуры металла можно расположить в такой последова - тельносги: перлит пластинчатый, сорбит, перлит зернистый, троостит, бейнит нижний и мартенсит. Значит, в мартенситной структуре возможно наи­большее накопление водорода;

2) наличие определенного минимума диффузионно­го водорода в зоне сварного соединения, источни­ком которого при сварке является преимуществен­но металл шва, т. е. [Н] >30 см3/Ю0 г. н. м.;

3) определенный уровень растягивающих напряже­ний в зоне сварного соединения.

При остывании сварочной ванны водород диффун­дирует к ее поверхности и в зону термического влияния. Максимальная диффузия наблюдается в период поли­морфного превращения у —> а из-за резкого снижения растворимости водорода в феррите. Переходя при Т = = 200 °С из атомарного в молекулярную форму и адсор­бируясь на свободных поверхностях дефектов структу­ры, водород создает в локальных объемах металла повы­шенные давления, исчерпывая его деформационную способность и вызывая микронадрывы, т. е очаги тре­щин. Их дальнейший рост приводит к возникновению макротрещин. Наличие в структуре неметаллических включений (оксидов, нитридов, шлаков) облегчает рост трещин и их продвижение из шва в зону термовлияния. Процесс изменения концентрации водорода в шве и зоне термического влияния происходит в течение неко­торого времени. Поэтому такие грещины часто называ­ют замедленными [10, II].

Высокий уровень напряжений (I и 11 рода) катализирует появление холодных трещин. Физическая сущность процесса состоит в деформировании структуры наибо­лее «слабого» участка, изменении длины границ зерен и создании условий для ускоренного развития трещин до критических размеров. Именно поэтому появление холодных трещин в сварных соединениях большой тол­щины вероятнее, чем в малых.

Из сказанного следует, что процесс образования и развития холодных трещин многозависим от целого

ряда конструктивных и технологических факторов про­цесса сварки. Установление этих зависимостей для конк­ретных марок сталей и типов конструкций часто является дискуссионным и до настоящего времени однозначно не всегда решаемым вопросом.

Способы и критерии оценки склонности к холодным трещинам классифицируются по:

1) характеру процедуры оценки — на косвенные и прямые;

2) характеру показателей — на качественные, полу- количествснные и количественные;

3) характеру использования показателей — сравни­тельные и прикладные.

Косвенные способы позволяют произвести оценку склонности сварного соединения к холодным трещинам расчетным путем без испытания материалов, а пря­мые — предусматривают сварку технологических проб.

Критерии оценки (показатели свариваемости) выра­жаются величиной одного или нескольких параметров, обусловливающих образование трещин Они могут быгь качественные («склонны», «не склонны») или количе­ственные, имеющие численное выражение параметра, контролирующего процесс образования трещин.

Расчетные методы оценки склонности к холодным трещинам используют параметрические уравнения, по­лученные статистической обработкой эксперименталь­ных данных. Они связывают входные параметры (хими­ческий состав, режимы сварки, тип соединения) с выходными параметрами (лемпература подогрева, пока­затель склонности). При этом часто затруднительно ис­пользовать все многообразие факторов, определяющих образование холодных трещин.

В настоящее время используются следующие пара­метрические зависимости:

А. Зэк 61

1. Значение эквивалента углерода С

Мп Si Ni Сг Mo V

— + — +— + — + + —

6 24 10 5 4 14

где С, Мп, Si, Ni, Сг, Mo, V — символы элементов и их содержание в %.

Стали, у которых Сэкв > 0,45, считаются потенциаль­но склонными к холодным трещинам. Действительная склонность сварных соединений к холодным трещинам может быть определена в том случае, если известен уро­вень насыщения водородом и величины рабочих напря­жений. Для нелегированных и низколегированных ста­лей, у которых содержание углерода прямо влияет на твердость (для них HV < 350), расчетную оценку склон­ности к холодным трещинам можно произвести по ве­личине HVmax, определяемой по нижеприведенному уравнению, в котором содержание элементов представ­лено в процентах:

HVmax= 90 + 1050С + 47Si + 75Mn + 30Ni + ЗІСг

Если HVmax > 350, то при сварке сталей вероятно об­разование холодных трещин.

2. Параметр трещинообразования

TOC o "1-5" h z '--'-♦iHi <85)

Рсм = сф +—+ — + — + — + — + —+ 5В, (8.6)

СЛ ф 30 20 20 60 15 15 * v }

где Рст — коэффициент, учитывающий структурные пре­вращения, т. е. по существу расчетные значения Сэкв, %; Нгл — количество диффузионного водорода в металле шва, см3/100 г. н.м. Нгл должно быть меньше Ндоп; Ндоп — нормируемый показатель содержания водорода; К — ко­
эффициент интенсивности жесткости соединения, учи­тывающий значение qn, т. е. режим сварки, и определя­ющийся как К = К0 8, Н/мм7; 1^ — постоянная, имею­щая в зависимости от марки стали численное значение в пределах 200... 1000, Н/мм2мм; 5 — толщина металла, мм.

При Ры > 0,286 потенциально возможно образование холодных трещин.

Приведенные значения Сэкв и Pw часто используют для расчетного определения температуры подогрева Т с целью предупреждения или исключения холодных тре­щин:

=500д/7с^/-0,45, С. (8.7)

іде [Сэкв ] = CJKB(1 + 0,0058); 8 — толщина, мм или (с уче­том формулы 8.5) Т1|ОД = 1440; Pw — 392 °С.

3. Расчет стойкости против образования холодных трещин на основе математических моделей процесса, сопоставляющих действительные и критические значе­ния факторов трещинообразования (структура, водород, напряжения) и определение интервала значений погон­ной энергии (режимы сварки), температуры подогрева, содержания водорода и жесткости сварного соединения, которые обеспечивают отсутствие холодных трещин.

К прямым (экспериментальным) способам оценки склонности металла сварных соединений к холодным грещинам относятся сварочные технологические пробы, разделяющиеся на пробы лабораторного и отраслевого назначения. Первые дают сравнительную оценку матери­алам и технологическим вариантам сварки безотноситель­но к виду сварных конструкций, а вторые — учитывают вид конструкции, последовательность наложения сварных швов, климатические условия их выполнения и т. д.

Технологические пробы на склонность к холодным трещинам стандартизированы ГОСТ 26388—84 и преду­сматривают определенные формы и размеры образцов, подготовку кромок, способы и режимы сварки, спосо­бы закрепления и методы механических испытаний. На рис. 8.7, a-е представлены некоторые пробы. Показате­лями трещинообразования, как правило, являются па­раметры режима, при которых появляются холодные трещины, форма и размеры надрезов или разделок кро­ток, длина свариваемых элементов и т. п.

По каждой пробе можно получить информацию о значениях показателей склонности к холодным трещи­нам (ГОСТ 26388—84). При механических испытаниях на холодные трещины используют различные виды на­грузок (растяжение, изгиб, кручение), вызывающие в шве или ЗТВ появление холодных трещин.

Рассмотренные причины образования холодных тре­щин в сварных соединениях, механизмы разрушения и способы оценки склонности соединений к ним позво­ляют сформулировать основные направления борьбы с холодных™ трещинами. Общими из них для большин­ства указанных сталей являются:

1) регулирование структуры металла шва и сварного соединения, достигаемое соответствующим выбо­ром основных и сварочных материалов, способа­ми и режимами сварки, использованием предва­рительного или сопутствующего подогрева и т. п.;

2) снижение концентрации водорода в шве, обеспе­чивающееся качеством сваривае яых материалов и чистотой свариваемых поверхностей, содержани­ем водорода в сварочных материалах (электродах, газах, флюсах);

3) снижение уровня напряженного состояния, дости­гаемое за счет рационального конструирования сварных элементов, технологией сварки и исполь­зованием термической обработки.