Горячие трещины в сварных соединениях. Механизм образования трещин в металле шва

Горячие трещины зарождаются при высоких температурах в процессе кристаллизации металла. В последующем трещины могут развиваться при его остывании. Чаще всего микро и макротрещины образуются в металле шва, но могут быть и в зоне термического влияния. В зависимости от ориентации по отношению к оси шва горячие трещины бывают продольными, поперечными и комбинированными. Они выходят или не выходят на поверх­ность шва. Поверхность выходящих наружу трещин обычно окислена и окрашена в цвета побежалости; поверхность внутрен­них трещин имеет серо-белый цвет без металлического блеска. Основная причина возникновения горячих трещин связана с по­терей способности металла в определенный период кристаллиза­ции противостоять без разрушения растущим при охлаждении шва растягивающим напряжениям.

При кристаллизации металл шва проходит через так называ­емый температурный интервал хрупкости (ТИХ), в котором ме­талл находится в твердожидком состоянии. Этот интервал начи­нается с переплетения растущих кристаллов и их срастания в же­сткий каркас, при этом остающийся в каркасе жидкий металл не имеет возможности перетекать из одного межзеренного простран­ства в другое. Такая двухфазная агрегатная система отличается малой прочностью и очень низкой деформационной способнос­тью, ее пластичность составляет доли процента. Окончание тем­пературного интервала хрупкости наступает, когда металл прак­тически полностью затвердевает и его прочностные и, главное, пластические свойства резко улучшаются. Кривая изменения пластичности металла при переходе через ТИХ показана на рис. 67 (кривая ).

Одновременно с кристаллизацией металла шва при охлаж­дении идет процесс образования и роста растягивающих сварочных напряжений (см. главу 12). Эти напряжения вы­зывают деформацию рас­тяжения металла шва, ко­торая, как и напряжение, увеличивается со сниже­нием температуры. Если в период пребывания метал­ла шва в ТИХ нарастаю­щая деформация растяже­ния превысит пластич­ность металла, то произой­дет разделение зерен по жидким прослойкам, т. е. образование трещин.

Если деформация растяжения в период ТИХ окажется меньше де­формационной способности самого металла, то образование горя­чих трещин не произойдет. Графически это представлено на рис. 67. Кривая 8 характеризует изменение пластичности металла шва в ТИХ, а кривые е — нарастание деформаций в сварном со­единении в процессе остывания. При темпе деформаций, характе­ризуемой кривой 1, появляются трещины, кривой 2 — не появля­ются. Из рисунка видно, что для того, чтобы предупредить образо­вание трещин необходимо уменьшить величину ТИХ и повысить пластические свойства металла в этом интервале, а также снизить скорость нарастания сварочных деформаций. В этом случае веро­ятность пересечения кривых 5 и е минимальная. Повысить стой­кость металла шва против образования горячих трещин при руч­ной дуговой сварке можно за счет получения благоприятного хи­мического состава металла шва, применения рациональной техно­логии сварки, грамотного проектирования сварного узла, уменьша­ющего его жесткость и количество наплавленного металла.

Химический состав расплава, позволяющий уменьшить ТИХ и увеличить пластичность металла шва, может быть получен пу­тем максимально возможного снижения содержания серы и фос­фора, а в некоторых случаях и углерода (особенно при сварке среднеуглеродистых сталей), введения модификаторов — цирко­ния, титана, ванадия и ниобия, способствующих измельчению зерна, а также создания двухфазной структуры (например, аустенитно-ферритной при сварке ряда высоколегированных сталей).

Меры снижения: Сварку сталей, склонных к образованию горячих трещин, сле­дует выполнять на малой эффективной погонной энергии (малой силе тока) валиками небольшого сечения, при этом необходимо обращать внимание на форму проплавления однопроходного шва (или валика). Коэффициент формы проплавления должен нахо­диться в пределах 1, 5-5. При слишком малом коэффициенте про­плавления столбчатые кристаллы металла шва растут навстречу друг другу и встречаются торцами, на поверхности которых вслед­ствие ликвации находятся в повышенном количестве примеси, в том числе сера и фосфор. Иногда следует использовать предвари­тельный подогрев до температуры 150-400°С или применять ра­циональную последовательность наложения валиков шва (напри­мер, вести сварку каскадом), что позволяет отдалить момент воз­никновения чрезмерных растягивающих напряжений и снизить скорость охлаждения и нарастания деформаций. В ряде случаев положительный эффект дает сварка на пониженной скорости.

При сварке крайне жестких конструкций из углеродистых, низколегированных и легированных сталей появление горячих трещин можно избежать, используя электроды, предназначенные для сварки разнородных сталей, особенно с высоким содержани­ем никеля в наплавленном металле, обеспечивающими получение металла шва с пластичной аустенитной структурой.

Горячие трещины, образующиеся при сварке некоторых ста­лей в зоне термического влияния, своим происхождением обяза­ны тем, что на границах зерен этих металлов собираются поверх­ностно-активные элементы, в том числе вредные примеси. В ре­зультате на межзеренных границах появляются легкоплавкие прослойки и включения. Под воздействием теплоты сварочной дуги они оплавляются с образованием трещин при наличии до­статочных растягивающих напряжений. Снизить опасность появ­ления горячих трещин в зоне термического влияния при ручной дуговой сварке данных сталей можно, применяя режимы свар­ки с минимальной эффективной погонной энергией.