Причины образования холодных трещин при сварке

Образование трещин в сталях

Причины образования холодных трещин при сварке

С точки зрения простого здравого смысла трещины в сварных соединениях невозможны: металл при выполнении сварного шва сначала жидкий, а затем при охлаждении — пластичный. Однако факторы (причины и следствия), обуславливающие образование сварного соединения являются также и факторами (условиями), образования трещин в нём, как-то: нагревание, плавление, кристаллизация, охлаждение в жёстком закреплении, структурные, фазовые превращения, внутренние напряжения, микро- и макро- неоднородности, и т.п. Появление (получение) сварного соединения без трещин скорее исключение, чем правило.

В любом сварном соединении (особенно при сварке плавлением), строго говоря, присутствуют трещины (хотя бы микро-), но в благоприятных условиях (в удачном случае) они схлопываются, а в неблагоприятных условиях — (в неудачном случае) — раскрываются — обнаруживают себя. Трещины в сварных соединениях классифицируют как показано на рисунке.

Способность материала сварного соединения воспринимать без разрушения деформации и напряжения, вызываемые термодеформационным циклом сварки, называется его технологической прочностью и является важнейшей характеристикой металла, подлежащего сварке.

Горячие трещины

Согласно теории технологической прочности сопротивляемость сварного соединения образованию горячих трещин определяется такими факторами:

а) пластичностью металла в температурном интервале хрупкости; б) значением (величиной, протяженностью) температурного интервала хрупкости;

в) темпом температурной деформации сварного соединения.

Возникновение сварочных деформаций (и напряжений) обусловлено концентрированным местным нагревом при сварке и имеет место всегда. Это связано с тем, что нагреваемый объём металла при сварке всегда находится в закреплении соседними не нагреваемыми объёмами металла и вынужден претерпевать пластические деформации. Это, в свою очередь, при охлаждении приводит к возникновению силовых напряжений и дополнительных деформаций.

Деформации в твердом металле реализуются по известным механизмам: двойникования, внутризеренного скольжения (приводящего к появлению линий сдвига) и межзёренного проскальзывания, сопровождающегося появлением ступенек по границам зерен.

В такой же последовательности возрастает роль этих составляющих деформаций при повышении температуры металла и уменьшении скорости деформации, причем с повышением температуры сопротивление деформации приграничных участков зерен падает более интенсивно, чем внутризеренных объемов, а запас межзеренной пластичности заметно ниже, чем внутризеренной. Поэтому при высоких температурах обычным является межзеренное разрушение при меньшей пластичности.

Горячие как кристаллизационные, так и подсолидусные трещины имеют межкристаллитный характер. Разрушение идет межзеренно, по границам зерен.

Режим сварки, определяющий температурное поле в свариваемом изделии, может привести к тому, что нерасплавленный металл, расположенный вне ванны, будет менять знак дополнительной деформации металла кристаллизующейся ванны (сжатия или растяжения) в различные моменты времени после прохождения рассматриваемого сечения сварочным источником тепла. Мягкие режимы сварки (с малой скоростью, при предварительном подогреве и пр.) с этой точки зрения являются более благоприятными, хотя на уровень пластичности кристаллизующегося металла они могут оказать как положительное, так и отрицательное воздействие.

Одним из наиболее надежных способов исключения горячих трещин в металле швов является выбор металла с повышенной стойкостью против таких разрушений. Это достигается либо повышением деформационной способности металла в области температур возможного возникновения трещин, либо обеспечением «залечивания» образующихся несплошностей подвижной жидкой фазой (легкоплавкими эвтектиками).

Следует отметить, что увеличение содержания элемента в сплаве для повышения стойкости против образования трещин в шве (т.е. элемента, образующего легкоплавкую эвтектику) применимо далеко не всегда, так как такой сплав может обладать свойствами, недопустимыми с точки зрения эксплуатационных требований к конструкции.

Например, при высоком содержании серы в стали можно исключить кристаллизационные трещины, но механические свойства таких швов окажутся весьма низкими.

https://www.youtube.com/watch?v=ZbnEIr5ITFc

Как технологический прием для исключения (ограничения) горячих трещин применяют предварительный подогрев (для низко и среднелегированных сталей), сварку на жестких режимах (для аустенитных сталей), а также выбирают режимы, обеспечивающие благоприятную форму шва, т.е. соотношение ширины и глубины шва (слоя шва). Так, при одном и том же составе металла швы с глубоким проплавлением при малой ширине (т.е. при малом значении b/h; рисунок а, более склонны к горячим трещинам, чем швы с отношением b/h = 1,5-3 – рисунок б).

Для оценки склонности металла швов к образованию горячих трещин существует ряд проб и методик. Технологические пробы основаны главным образом на установлении сравнительных характеристик по сопротивляемости металла швов, выполненных различными сварочными материалами в сопоставимых условиях (размеры и формы образца, режимы сварки и пр.).

Количественные, методики основаны на получении при испытаниях сравнительных численных показателей сопротивляемости (или склонности) металла швов к образованию горячих трещин.

Они осуществляются в виде серии испытаний с получением численного показателя стойкости, обычно скорости дополнительного принудительного деформирования свариваемого образца в период кристаллизации определенного участка сварочной ванны и последующего охлаждения.

Читайте также  Степень затемнения сварочных стекол

Холодные трещины

В сварных соединениях как в металле сварных швов, так и в околошовных зонах ряда металлов образуются так называемые холодные трещины. Свое наименование они получили в связи с тем, что начало их появления фиксируется либо при относительно умеренных температурах (значительно более низких, чем температуры горячей обработки), либо при комнатной и более низкой температурах.

Наиболее типичными холодными трещинами в сварных соединениях являются поперечные трещины в металле швов, поперечные трещины вблизи границы сплавления в околошовной зоне, а также трещины, параллельные границе сплавления, так называемые отколы.

Обычно холодные трещины образуются в металле с недостаточно высокой деформационной способностью, особенно границ зерен, вызываемой закалкой и пластической деформацией при неравномерном охлаждении и фазовых превращениях. Холодные трещины образуются либо в процессе завершения охлаждения сварного соединения, либо через некоторое время после полного охлаждения (замедленное разрушение).

Образование холодных трещин в процессе продолжающегося охлаждения определяется накоплением пластических деформаций в связи с изменением размеров и формы неравномерно охлаждающегося свариваемого изделия.

Замедленные разрушения связаны с длительным действием поля собственных (сварочных) или создаваемых внешними силами напряжений такой величины, при которой продолжается процесс деформирования, хотя бы с весьма малыми скоростями. В случае наличия закаленного металла сопротивление деформации зерен (например, при мартенситной структуре) весьма значительно.

Деформация в этом случае происходит только за счет менее упорядоченных границ зерен (зон металла, прилегающих к границам), главным образом за счет их сдвига.

Сдвиги по границам, расположенным параллельно или под углом к направлению действия сил растяжения, приводят к концентрации напряжений (и стоку несовершенств кристаллического строения, дислокации) к границам зерен, расположенным перпендикулярно к растягивающим силам.

Эта концентрация напряжений и ослабление таких границ скоплением несовершенств строения приводят к зарождению разрушения, наиболее вероятного в стыке границ этих зерен. Под действием напряжений эти микроразрушения развиваются в трещины, распространяющиеся уже в основном по телу зерен, хотя для некоторых сплавов, когда, например, этот процесс сопровождается и другими (старение и пр.), трещина и далее, после зарождения, распространяется в основном по границам зерен.

Наиболее характерными температурами возникновения холодных трещин при сварке закаливающихся сталей являются температуры, при которых уже произошел распад основной части аустенита, но может продолжаться распад остаточного аустенита. Обычно такими температурами являются 120°С и более низкие. Часто трещины образуются уже при комнатных температурах спустя некоторое время после окончания сварки (десятки минут, часы, а иногда и через более длительные промежутки времени).

В закаливающихся сталях образование ряда холодных трещин связано как с получением структур с низкими пластическими свойствами металла, так и с влиянием водорода, растворяющегося при сварке в жидком металле и затем поступающего и в околошовную зону.

Рассмотрим в этом отношении поведение водорода и его влияние на свойства стали при комнатной температуре. Водород, растворенный в металле либо в виде атомарного (Н), либо в виде протона (ТГ), имея весьма малую величину частицы, легко диффундирует в железе не только при высоких температурах, но и при комнатных.

В связи с высокой концентрацией в металле шва, иногда значительно превышающей равновесную растворимость, водород диффузионно распространяется в области с его меньшей концентрацией. Такими областями являются наружная поверхность шва (с которой происходит удаление водорода в воздух), околошовная зона и далее основной металл, а также различные несплошности в металле (поры, пустоты и локальные несовершенства кристаллического строения металла).

В результате такого перемещения водорода его общее количество в зоне термического влияния в определенных условиях может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от соотношения количества водорода, поступающего в нее в заданный отрезок времени из шва и удаляющегося из этой зоны в более глубокие слои основного металла. Одновременно часть водорода, поступающая в несплошности, ассоциируется в молекулы и перестает быть диффузионно-подвижной.

Постепенно в таких несплошностях давление молекулярного водорода растет в связи с дальнейшим поступлением атомарного водорода и образованием новых молекул.

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.

Основным методом уменьшения возможности закаливаемости металла в сварном соединении, главным образом в околошовной зоне, является снижение скорости охлаждения после сварки, достигаемое практически либо увеличением погонной энергии при сварке, либо предварительным подогревом изделия. Увеличение погонной энергии при сварке, допустимо только в ограниченных пределах. Поэтому основным способом, радикально влияющим на изменение (уменьшение) скорости охлаждения металла при сварке, является предварительный подогрев свариваемого изделия.

Источник: https://weldering.com/obrazovanie-treshchin-stalyah

Холодные трещины при сварке металлов. Образование холодных трещин

Причины образования холодных трещин при сварке

>>Качество и контроль сварки>>Холодные трещины при сварке

Холодные трещины при сварке могут образоваться либо, по окончании процесса сварки, либо во время наплавки дополнительного слоя металла. Образование холодных трещин происходит при низких температурах, не превышающих 200-250°C, в отличии от горячих трещин при сварке, образующихся при высоких температурах.

Читайте также  Сварочный аппарат инвертор какой лучше выбрать?

На рисунке показаны разновидности холодных трещин. Они бывают продольными — 1, поперечными — 2 (при большой толщине сварного шва). Самые распространённые места для начала формирования трещин — корень сварного шва, или место стыка сварного валика и основного металла. Встречаются трещины, образованные в зоне термического влияния — 3.

Холодные трещины не всегда появляются на поверхности металла. Они вполне могут сформироваться внутри и быть небольшими по протяжённости. Внутренние холодные трещины сложно обнаружить из-за того, что проникающие реактивы, применяемые для контроля сварных швов, не чувствительны к таким дефектам сварного шва.

Если горячие трещины при сварке получаются достаточно разветвлённые, то главное отличие холодных трещин от горячих заключается в том, что они не такие разветвлённые и раскрытые. Поверхностные трещины, открытые для доступа воздуха, остаются неокисленными и приобретают коричневый, или голубой цвет. Подобные трещины образуются, в основном, при сварке высокопрочных сталей.

Причины образования холодных трещин при сварке

Для образования холодных трещин необходимо три составляющих:

1. Микроструктура металла в сварном шве или в зоне термического влияния имеет высокую чувствительность к водороду. Хорошую чувствительность к водороду имеет, к примеру, мартенситная структура, или структура нижнего бейнита, и формируется она в процессе сварки прочных сталей.

2. В зоне термического влияния необходимо присутствие диффузионного водорода, проникшего в околошовную зону из металла сварного шва.

3. Необходимо присутствие растягивающих напряжений в зоне термического влияния.

Вообще, основной причиной образования холодных трещин при сварке является водород. Водород может проникать в сварной шов из электродного покрытия, флюса, окружающей среды. Также водород может присутствовать в составе защитных газов или загрязнений на сварочной проволоке или сварных кромках.

Если на свариваемых кромках присутствует ржавчина, то она становится активным источником водорода для сварного шва. При ручной дуговой сварке самым распространённым «поставщиком» водорода становится электродное покрытие.

Механизм образования холодных трещин

Воздействие водорода на сварное соединение может быть временное, и постоянное. Временное влияние проявляется в случае, когда сварное соединение испытывают непосредственно после окончания сварки, или вскоре после неё. В таких случаях могут появиться определённые трудности, особенно при контроле и оценке пластических свойств соединения. Образцы, даже при небольших углах загиба, уже могут иметь поверхностные трещины.

Появляются такие трещины из-за диффузии водорода в места формирования пор или шлаковых включений, а также, в случае превращение атомарного водорода в молекулярный. После перехода водорода в молекулярное состояние, в местах его скопления возникает высокое давление газа, и это служит причиной появления блестящих пор в металле.

Переход водорода в молекулярное состояние происходит при низких температурах, менее 200°C. При повышенных температурах водород в сварных соединениях находится в атомарном состоянии.

К постоянному влиянию водорода относится его воздействие на формирование холодных трещин. Склонность металла к формированию трещин обусловлена, прежде всего, её прокаливаемостью или охрупчиванием, являющихся результатом структурных превращений.

Зоны, по границам первичных зёрен, могут быть повреждены в результате протекания различных процессов, не обязательно при воздействии водорода. Это может произойти при растворении части сульфидов или карбидов и, как следствие, выпадение сульфидов и карбидов из твёрдых фаз. Этот процесс уменьшает прочность по границам зёрен. И при переходе в молекулярное состояние, водород оказывает сильное давление на эти зоны, что может служить причиной образования холодных трещин.

Как предотвратить появление холодных трещин

Уменьшить риск возникновения холодных трещин можно, если исключить вредное воздействие водорода. Добиться этого можно, применяя определённые технологические приёмы при сварке:

1. Для предотвращения образования холодных трещин при сварке, необходимо оградить сварное соединение от воздействия водорода. Чтобы снизить риск попадания водорода в металл сварного шва, необходимо перед сваркой просушить электроды или флюс при температуре 300-350°C в течение нескольких часов.

2. Также нужно иметь в виду, что сварочная проволока, протравленная в соляной кислоте. Становится источником водорода. И если, при оценке свариваемости стали становится вероятным появление холодных трещин, то от такой проволоки лучше, по-возможности, отказаться.

3. Нагрев сварного соединения после сварки очень сильно способствует выведению водорода из металла сварного шва. Температура последующего нагрева рекомендуется в пределах 100-200°C , а продолжительность от 30мин до нескольких часов. Зависит это от разновидности сталей и толщины свариваемого металла.

При сварке высокопрочных конструкционных сталей рекомендуемая температура нагрева — 100-150°C, время нагрева — 30-60мин. При сварке металлов толщиной более 40мм, продолжительность последующего нагрева необходимо обеспечить в течение 3-5ч. В случае, когда свариваются стали очень больших толщин (к примеру, 200, 300 или 400мм), то целесообразным будет неоднократное прерывание процесса сварки и выполнение последующего нагрева.

4. Электроды для ручной дуговой сварки изготавливают с контролируемым содержанием водорода. При оптимальных условиях, применение этих электродов для сварки позволяет обеспечить содержание водорода в металле сварного шва ниже значения 15мл на 100г.

Вычислить склонность стали к образованию холодных трещин позволяет такой показатель, как углеродный эквивалент. Этот показатель позволяет приблизительно оценить свариваемость сталей, и определить, к какой группе свариваемости сталей относится та, или иная марка. О том, как вычисляется углеродный эквивалент подробно написано на странице: «Оценка сварвиаемости сталей. Формула углеродного эквивалента».

Читайте также  Розетка для сварочного аппарата 220в

Дополнительные материалы по теме:

Источник: https://taina-svarki.ru/kachestvo-i-kontrol-svarki/holodnye-treshchiny-pri-svarke-prichiny-obrazovaniya.php

Причины образования холодных трещин при сварке

Причины образования холодных трещин при сварке

В процессе осуществления любой деятельности или производства изделия существует вероятность появления дефектов. Они могут появляться по причине нарушения технологии работы на любом этапе.

Одни из самых распространенных дефектов — это горячие трещины при сварке. Нормативными актами установлены стандарты наличия тех или иных дефектов в готовом изделии.

Для сварочного процесса также существует ГОСТы, устанавливающие нормативы работы, в том числе и сварочные дефекты. Они подразделяются на несколько групп:

  • горячие и холодные трещины при сварке
  • Подрезы
  • Непровар кромки, корня
  • Наплывы
  • Полости (газовые полости, свищи)
  • Поры
  • Твердые включения
  • Несплавления
  • Нарушения формы соединения
  • Брызги металла
  • Случайная дуга

Любой сварочный процесс должен осуществляться строго по правилам и нормативам. Любой дефект является последствием нарушения этих правил. Бывают трещины большого размера, которые видно невооруженным глазом. А бывают микротрещины, которые заметны только при пятидесятикратном увеличении. Несмотря на их маленький размер, они также опасны, как и большие.

Трещины подразделяются на горячие и холодные в зависимости от температуры сварки. Если шов варился при температуре более тысячи градусов,то они будут называться горячими. Если температура варки была ниже – холодными.

И холодные, и горячие трещины являются неустранимыми дефектами. При их наличии изделие будет считаться браком и не подлежит эксплуатации.

Какие бывают трещины?

Горячие и холодные трещины при сварке могут также подразделяться по другим основаниям. Они могут быть поперечными, продольными, радиальными и так далее.

Горячие представляют собой межкристаллические разрушения, которые возникают в самом сварочном шве либо возле него, в так называемой зоне термического влияния. Имеют вид несплошности или надреза. Они появляются при кристаллизации металла либо после остывания соединения. Они имеют темный цвет и извилистую форму.

Холодные представляют собой локальные разрушения и образуются при остывании металла, если сварка осуществлялась при температуре до 200 градусов. Холодная трещина появляется возле сварного шва и имеет на изломе светлый оттенок. Такие дефекты возникают при дуговой сварке стальных изделий большой толщины.

Горячие трещины, которые появляются около шва, в свою очередь, подразделяются на четыре вида:

  • Ликвиационные
  • Появляющиеся вследствие низкого относительного удлинения
  • Кристаллизационные
  • Появляющиеся по иным причинам

Первый вид дефектов появляется очень часто при работе с конструкционной сталью. В ее составе находится много разных включений, чаще это сульфиды. При плавлении некоторые из них растворяются в области термического влияния и превращаются в пленку.

Она находится на границе зерен и снижает когезионную прочность изделия, по причине чего появляются горячие трещины. Появление этих дефектов при работе с низколегированной сталью вызвано присутствием легирующих элементов, таких как титан и ниобий.

Ликвиационные дефекты довольно длинные, без ответвлений, более раскрытые.

Дефекты, появляющиеся вследствие низкого относительного удлинения, возникают только при сварке аустенитных сталей.

Кристаллизационные дефекты представляют собой короткие микротрещины. Наиболее характерны для гбц.

Меры по предотвращению возникновения холодных трещин

  • Электроды и флюсы должны быть прокалены.
  • Все детали, использующиеся в сварочном процессе, должны быть предварительно нагреты до 250-450 градусов.
  • Нужно безоговорочно соблюдать все требования, правила и нормативы конкретного вида сварки, подбирать максимально оптимальную температуру нагрева.

  • Необходимо применять тот вид сварочного шва, который необходим в конкретном случае.
  • Остывание изделия должно происходить медленно и равномерно.
  • После окончания работ, в целях снятия напряжения в элементах проводят смягчающий отжиг.

Причины возникновения дефектов в виде горячих трещин бывают внешние и внутренние.

К внешним причинам относится сегрегация элементов и окислов. Эти элементы не входят в состав свариваемого металла, а появляются вследствие использования вспомогательных примесей. Внутренние причины возникновения характеризуются влиянием присадочных материалов.

https://www..com/watch?v=2BfxCcsiUW4

Сегрегирующие элементы не обязательно должны быть расплавлены, чтобы стать причиной появления горячей трещины. Они могут вызвать образование тонкой пленки, которая будет способствовать уменьшению прочности по границе зерен.

Как уменьшить вероятность появления горячих трещин?

  • Осуществлять контроль за металлургическими процессами, когда металл расплавлен.
  • Обеспечить оптимальный процесс раскисления металла.
  • При работе с серой нужно иметь ввиду, что она может стать причиной появления сульфидных пленок. Поэтому ей лучше взаимодействовать с марганцем.
  • Чтобы сера не оказывала негативного воздействия на появляющиеся дефекты, сварщик должен быть очень внимательным при кристаллизации сварного шва. Сера должна проходить слева от перитектической точки. В этой ситуации выделяется дельта-феррит, который лучше ее растворяет.

Причины образования горячих трещин

  • Наличие жидких прослоек.
  • Деформации, возникающие при укорочении детали.
  • Жесткая фиксация деталей при работе. Это препятствует возможности переместить элемент для правильного остывания. В результате появляются напряжения.
  • Варка с участием таких металлов, как вольфрам, титан, молибден и ванадий, может вызвать нарушение химических связей.
  • Присутствие «вредных» примесей в массе свариваемого металла: фосфора, серы.

Источник: https://steelfactoryrus.com/prichiny-obrazovaniya-holodnyh-treschin-pri-svarke/