Все о сварке

Горячие трещины при сварке


10. Горячие трещины при сварке. Механизм их образования. Способы борьбы.

Горячие трещины- это хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и околошовной зоны, возникающие в твердожидком состоянии в процессе кристаллизации, а также при высоких температурах в твердом состоянии. Они извилисты, в изломе имеют темный цвет, сильно окислены, распространяются по границам зерен. По современным представлениям горячие трещины вызываются действием двух факторов: наличием жидких прослоек между зернами в процессе кристаллизации и деформациями укорачивания.

Образование горячих трещин происходит при воздействием факторов, которые могут быть выделены в две группы.

1гр. вкл. в себя металлургические факторы, зависящие от предрасположенности того или иного сплава к горячим трещинам, что определяется характером диаграммы состояния свариваемых сплавов, свойствами кристаллизующихся фаз.

2гр. факторов зависит от конструктивно-технологических условий сварки. Их действия проявляются в виде напряжений и деформаций, действующих в период кристаллизации.

Механизм образования горячих трещин заключается в следующем. Расплавленный металл шва после удаления источника нагрева начинает охлаждаться. При температуре ликвидуса в шве появляются кристаллы, разделенные между собой жидкими прослойками. Что приводит к снижению деформационной способности системы и ее хрупкому разрушению, обусловленному наличием возросших к этому моменту напряжений.

Причинами образования горячих трещин при сварке являются:

Меры борьбы с горячими трещинами

Для уменьшения вероятности образования горячих трещин следует устранить или ослабить влияние факторов, вызывающих их, таких как растягивающие напряжения и жидкие межкристаллические прослойки.

Уменьшение растягивающих напряжений может быть достигнуто выбором наиболее рациональной конструкции соединения, обеспечением более свободного укорочения металла шва и отдалением момента возникновения растягивающих напряжений - применением подогрева изделия.

Скорость нарастания растягивающих напряжений тем меньше, чем больше подогрето изделие и чем ниже скорость охлаждения металла, но все же возможности устранения трещин за счет ослабления растягивающих напряжений крайне ограничены.

Поэтому чаще всего применяются металлургические и технологические меры по устранению межкристаллических прослоек, к которым можно отнести:

1) использование основного металла и сварочной проволоки с минимальным содержанием серы, углерода и максимальным содержанием марганца; 2) введение в сварочную ванну определенных количеств алюминия и титана для связывания серы; 3) уменьшение доли основного металла в металле шва и др.

studfiles.net

Горячие трещины

Темы: Контроль качества сварки.

Сопротивляемость образованию горячих трещин.

Горячие трещины при сварке - это хрупкие межкристаллитные разрушения металла сварного шва и ЗТВ, возникающиe в твердожидком состоянии пpи завершении кристаллизации, a также в твердом состоянии пpи высоких температурах на этапе преимущественного развития межзеренной деформации (рис. 1). Потенциальную склонность к горящим трещинам имеют все конструкционные сплавы пpи любыx видах сварки плавлением, a также при некоторых видаz сварки давлением, сопровождающихся нагревoм металла дo подсолидусных температур.

Согласно теоретическим представлениям, горячие трещины образуются при критическом сочетании значений следующих факторов (рис. 2):

Рис. 1. Виды горячих трещин: 1, 2 - продольные в шве и ОШЗ; 3, 4 - поперечные в шве и ОШЗ.

Сплавы в процессе кристаллизации имеют интервал температур, названный ТИХ, в котором значения прочности и пластичности весьма малы, а разрушение носит хрупкий характер и происходит по зонам срастания кристаллитов или по границам зерен.

Из схемы (см. рис . 2) следует, что при температурах, прилегающих к ликвидусу, - Тл значение δ велико и определяется высокой способностью металла в жидкотвердом состоянии к релаксации сдвиговых напряжений.

В начальный период кристаллизации появление твердой фазы не снижает деформационную способность сплава, так как металл деформируется за счет относительного перемещения участков твердой фазы и циркуляции жидкой фазы между ними. По мере дальнейшего охлаждения сплавов непрерывно снижается объем жидкой фазы и металл переходит в твердожидкое состояние, что приводит к соприкосновению кристаллитов при деформировании. Это ограничивает циркуляцию жидкой фазы и резко снижает деформационную способность сплава - до минимума (δmin). Температура, соответствующая этому состоянию, называется верхней границей ТИХ - Тв.г. При деформации такого металла кристаллиты воспринимают в местах контакта напряжения, что способствует появлению определенного уровня сопротивления деформированию. Нижняя граница ТИХ - Тн.г соответствует неравновесному солидусу Тс.н. Ниже Тн.г деформационная способность резко возрастает и достигает максимума, так как в деформации участвует весь объем полностью затвердевшего металла.

Рис. 2. Схема процесса образования горячих трещин в сварных швах: а - диаграмма состояния сплава; Сi - состав сплава; Тл, Тc и Тс.н. - температуры соответственно ликвидуса, равновесного инеравновесного солидусов; б - процесс кристаллизации сварного шва; в - распределение пластичности δ; интенсивность сварочных деформаций ε.

Начало роста высокотемпературной сварочной деформации Е; соответствует появлению сопротивления двухфазного твердожидкого металла деформирования. Интенсивность этих деформаций количественно определяется величиной темпа деформации :

где Δε - приращение высокотемпературной деформации за время охлаждения на ΔТ.

Вероятность разрушения определяется соотношением между темпом деформации металла шва и его деформационной способностью. Количественно последнюю можно оценить критическим темпом деформации αкр :

Превышение α действительного αкр исчерпывает упруго-пластические свойства металла в ТИХ и приводит к образованию горячих трещин.

Величина αкр принимается за показатель сопротивляемости сварных швов образованию горячих трещин.

Горячие трещины в ТИХ1 образуются по жидким прослойкам в период завершения кристаллизации шва, a также в околошовной зоне (ОШЗ) по оплавленным границам в период нагрева . Горячие трещины этого типа называются кристаллизационными или ликвационными в шве и ОШЗ соответственно. Эти трещины характерны для всех типов сплавов.

Помим о ТИХ1 в некоторых сплавах возможно существование еще одного температурного интервала хрупкости - ТИХ2 или ТИХ3 при температурах ниже температуры неравновесного солидуса в твердофазном состоянии металла. Горячие трещины в ТИХ2 образуются в закристаллизовавшихся шве и ОШЗ в период интенсивного развития процессов самодиффузии атомов основы сплава и миграции границ зерен . В результате этих процессов происходит межзеренное проскальзывание, приводящее к зарождению горячих микротрещин . Горячие трещины такого типа называются подсолидусными. Они характерны для однофазных аустенитных и никелевых сплавов.

Горячие трещины в ТИХ3 образуются вследствие охрупчивания, обусловленного рас падо м твердого раствора с выпадением мелкодисперсных интерметаллидных и карбонитридных фаз (напримeр γ' - фазы в высоконикелевых сплавах) . Дисперсионное упрочнение объема зерен приводит к локализации пластических деформаций по приграничным участкам , относительному проскальзыванию зерен и зарождению горячих микротрещин. Такие горячие трещины называются трещинами дисперсионного твердения. Горячие трещины этого типа характерны для высоколегированных гетерогенных жаропрочных аустенитных и никелевых сплавов.

Методы и критерии оценки сопротивляемости горячим трещинам.

Расчетные методы оценки склонности сталей к образованию горячих трещин. Для оценки сопротивляемости металла сварных соединений горячих трещин применяют расчетный и эксп ериментальный методы . Расчетностатистический метод основан нa использовании параметрических уравнений, cоставленных с помощью регрессионного анализа, и пpименим только для теx сплавов, которые вхoдят в концентрационные пределы изученныx композиций.

Одно из параметрических уравнений (по Итамуре) применительно к низколегированным сварным швам имеет вид

где Н(Т)СS (high temperature cracking sensitivity) - параметр , оценивающий склонность сварных швов к кристаллизационным горячим трещинам, %; С , S и др . - химич. элементы , %.

Если HCS > 4, то сварные швы потенциально склонны к горячим трещинам. Это означает, что в условиях высокого темпа сварочной деформации в ТИХ1 который зависит от типа и жесткости сварного соединения , способа и режима сварки, возможно образование горячих трещин.

Европейский стандарт EN 1011-2 : 2001 «Рекомендaции по сварке металлических материалов . Дуговая сварка ферритных сталей (углеродистых и низколегированных) сталей» рекомендует оценивать опасность образования горячих трещин в сварны х швах по соотношению :

UCS = 230 С + 190 S + 75 Р + 45 Nb- 12,3 Si - 5,4 Мn - 1,

где UCS (units of crack susceptivity) - единицы склонности к горячим трещинам; С , S и др. - химические элементы, %.

Значения UCS < 10 соответствуют высокой сопротивляемости образованию горячим трещинам, > 30 низкой сопротивляемости горячим трещинам.

Применительно к хромоникелевым аустенитным сварным швам используют параметр, оценивающий степень их аустенитности:

где Сг, Ni и др. - химические элементы, % [(S + Р) < 0,035 %].

Если (Сгэ / Niэ) < 1,5, то сварные швы потенциально склонны к кристаллизационным горячим трещинам.

Недостаток этого метода - нувозможность учета влияния всех примесей, нe входящих в параметрические уравнeния, a также аномалии пo технологическим параметрaм сварки, выходящим зa исследованные пределы. Поэтому расчетно-статистический метод рекомендуется для приближенных экспресс-оценок.

Экспериментальная оценка склонности сварных швов к образованию горячих трещин с помощью технологических проб.

При испытаниях с помощью проб на металл сварного шва воздействуют деформации от усадки шва и формоизменения свариваемых образцов. Специальная конструкция и технология сварки образцов обусловливают повышенные темпы высокотемпературной деформации. Некоторые схемы технологических проб согласно ГОСТ 26389-84 (2000) приведены на рис. 3.

Образец с круговым швом (см . рис. 3, а) изготовляют из листового металла в виде квадратной пластины с отверстием. При толщине листов >25 мм при меняют составную пластину из четырех пластин, соединенных монтажным швом, с проточкой под круговой шов . Испытуемым является круговой шов или наплавка в круговую канавку .

Тавровый образец (см . рис . 13, б) изготовляют из двух пластин: 150 х 300 и 75 х 300 мм толщиной 15.. .30 мм, соединяемых под прямым углом с помощью трех косынок и монтажных швов . Испытуемый шов сваривают в положение втавр или в лодочку.

Образцы с переменной шириной (см . рис . 3, в) применяют в виде комплекта из серий , отличающихся по ширине b в пределах 40... 200 мм для дуговой сварки и 10. .,40 мм для лучевой независимо от толщины . Особенность сварки образцов заключается в том , чтобы закрепление входных и выходных планок не препятствовало раскрытию зазора. Сварка начинается с образцов большей ширины и заканчивается на образцах , в швах которых образуются горячие трещины.

Образец с канавками (см . рис. 3, г) изготовляют из пластин толщиной >40 мм . При толщине 70 мм - с двух сторон . Они могут иметь V- и U-образную форму пазов.

При наличии горячих трещин металл сварного соединения считают склонным к образованию трещин. Относительную степень склонности к горячим трещинам (см . рис. 3, а, б) оценивают суммарной длиной трещин по длине шва или в трех сечениях шва. При испытании образцов с переменной шириной (см. рис. 3, в) склонность к горячим трещинам определяют по максимальной ширине образцов bмах, в которых образуются трещины . При испытании пробы с канавками (рис. 13, г) за критерий склонности к горячим трещинам принимают максимальную скорость сварки, при которой в швах начинают образовываться трещины.

Рис. 3. Схемы конструкции образцов техиологических проб: а - с круговым швом; б - таврового ; в - с переменной шириной пластин ; г - со швом в канавку.

Машинные методы предусматривaют испытание свариваемых образцов нa растяжение, изгиб, a также испытание образцов c имитацией сварочного цикла нa растяжение (рис . 4). Испытания проводят по ГОСТ 26389-84 (2000) с помощью специализированных испытательных машин.

Процедура машинных испытаний предусматривает поочередно сварку серии образцов и деформирование швов в процессе их кристаллизации с дискретной варьируемой скоростью растяжения (vд) . Скорость деформации и, соответственно, относительное перемещение свариваемых кромок повышают до появления горячих трещин. Сварку стыковых образцoв без разделки кромок выполняют нa режимах, исходя из услoвия получения полного проварa и обратного валика заданнoй ширины , а стыковых образцов c разделкой кромок - из услoвия получения задaнных ширины и высоты шва.

Идентификацию трещин в образцах после испытания проводят по виду излома, а при невозможности излома - другими неразрушающими методами контроля.

В результате испытания 10 - 15 образцов с дискретным изменением скорости растяжения находят критическую скорость растяжения (среднее арифметическое из трех минимальных скоростей, при которых образовались трещины) и принимают ее за сравнительный показатель сопротивляемости металла образованию горячих трещин (vкр, мм/мин) при заданном режиме (термическом цикле) сварки . Чтобы сравнить сопротивляемость горячим трещинам при различных термических циклах сварки , применяют показатель - критический темп деформации α'(мм/oС). Он вычисляется по формуле

где ω0 - скорость охлаждения металла шва в ТИХ.

Испытания образцов с имитацией сварочного термического цикла проводят на стержневых или пластинчатых образцах, подвергнутых эпектроконтактному или индукционному нагреву. Рабочая зона таких образцов может иметь структуру основного металла или сварного шва. Главная особенность таких испытаний - назначение температуры максимального нагрева. Она должна соответствовать минимальной температуре, при которой достигается оплавление границ зерен по их периметру (Тmах > Тсол).

Испытания образцов в ТИХ проводят с целью определения верхней и нижней температурных границ ТИХ и минимальной пластичности в ТИХ (δmin в мм или %).

По результатам испытаний рассчитывают критический темп деформации αкр = δmin/ ТИХ (мм/oС или %/oС).

Рис. 4. Устройство испытательиой машины МИС-l и схемы испытаиия свариваемых образцов: а - с хема машины МИС-1 (1 - свариваемый образец; 2 и 3 - неподвижный и подвижный захваты с оответственно; 4 - механический привод); б - испытание изгибом; в - испытание растяжением; г - испытание образца для ЭШС; д - испытание в процессе имитации термодеформационного сварочного цикла образца основного металла.

weldzone.info

Как уменьшить в сварных швах образование горячих трещин

Для уменьшения склонности углеродистого, низколегированного и среднелегированного металла сварных швов к образованию горячих трещин принимаются следующие меры:

а) устанавливаются режимы сварки, обеспечивающие получение наиболее благоприятной формы шва;

б) используются сварочные материалы, обеспечивающие минимальное содержание в шве серы и фосфора, а также углерода, вредное влияние которого заключается в усилении ликвации серы;

в) повышается содержание в шве марганца, связывающего серу в тугоплавкое соединение MnS и предотвращающего тем самым ее ликвацию;

г) вводятся в шов модифицирующие элементы (титан, алюминий и др.), измельчающие первичную структуру металла и предотвращающие образование ориентированной столбчатой структуры;

д) вводятся в шов элементы, обеспечивающие двухфазную мелкозернистую структуру металла (например, аустенитно-ферритную или аустенитно-карбидную при сварке аустенитных сталей);

е) применяется предварительный и сопутствующий подогрев изделия при сварке конструкционных сталей, уменьшающий величину и скорость нарастания растягивающих напряжений в сварном соединении и смещающий момент их возникновения к тому времени и к таким температурам, когда металл шва в межкристаллических зонах приобретает достаточную пластичность и прочность.

В последнем случае уменьшением воздействия силового фактора в опасном интервале температур предупреждается образование горячих трещин даже при более выраженной дендритной неоднородности (ликвации), обусловленной замедленным остыванием шва.

Это, однако, не относится к сварке аустенитных сталей, предварительный подогрев которых не только не предотвращает образование трещин, а, наоборот, увеличивает вероятность их образования (рис. 38) вследствие преобладающего влияния размера столбчатых кристаллитов металла шва по сравнению с влиянием уменьшения величины и интенсивности нарастания напряжений, а также вследствие повышения дендритной неоднородности.

Если горячие трещины в шве (чаще при сварке конструкционных сталей) вызываются выделившимися в процессе кристаллизации сульфидами, то предотвратить вредное влияние последних можно путем выделения их из расплава на ранней стадии затвердевания металла.

Вследствие этого они располагаются в виде разобщенных и укрупненных глобулярных включений, а не в виде пленок. Это достигается введением в ванну некоторого количества кислорода, а также модификаторов (титана, циркония и др.). Полезно в этом случае измельчение зерна металла шва.

Рис. 38. Зависимость стойкости против образования горячих трещин в низколегированных швах от содержания в них углерода и предварительного подогрева основного металла при автоматической сварке под флюсом АН-348А (а) и стойкости против горячих трещин высоколегированного стабильноаустенического металла шва типа 05Х23Н28МЗДЗТ от температуры предварительного подогрева основного металла при сварке под флюсом АН-18 (б) на обычных режимах: VKp — максимально возможная деформация шва, при которой еще не образуется в нем горячих трещин.

При сварке аустенитных сталей кроме обеспечения двухфазной аустенитно-ферритной, аустенитно-карбидной или аустенитно- боридной структуры металла шва (в некоторых случаях это недопустимо), чтобы предотвратить образование горячих трещин, снижают содержание серы, фосфора и кремния в шве (путем снижения их в проволоке), а также применяют легирование шва молибденом, вольфрамом, марганцем и титаном, азотом, а лучше марганцем вместе с азотом.

Иногда с этой целью применяют низкокремнистый высокоокислительный флюс АН-18, обеспечивающий выгорание кремния и серы, уменьшение содержания водорода в шве и измельчение его зерна. Для сварки высокохромистых мартенситных сталей с той же целью рекомендуется применять низкокремнистый окислительный флюс АН-17.

Кроме того, применяют ряд дополнительных технологических мер повышения трещиноустойчивости: уменьшение погонной энергии сварки (тепловложения) путем уменьшения сварочного тока и напряжения, дополнительный подогрев сварочной проволоки, применение сварки спаренными расщепленными в поперечном и продольном относительно оси шва направлении электродами, снижение скорости сварки, благодаря чему уменьшается угол между направлением растущих кристаллитов и продольной осью шва, применение электромагнитного воздействия на дугу и сварочную ванну (электромагнитного перемешивания) и др.

Большинство исследователей полагают, что горячие трещины в углеродистых и низколегированных швах по своей природе являются преимущественно кристаллизационными (надсолидусными), т. е. образующимися в момент еще не полностью закристаллизовавшегося металла, и располагаются по жидким прослойкам (пленкам) веществ с весьма низкой температурой плавления по сравнению с температурой плавления основы металла (твердого раствора).

www.prosvarky.ru

Природа образования горячих трещин при сварке

Главная » Статьи » Профессионально о сварке » Контроль качества сварки

Рекомендуем приобрести:

Установки для автоматической сварки продольных швов обечаек - в наличии на складе! Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность в эксплуатации.

Сварочные экраны и защитные шторки - в наличии на складе! Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор. Доставка по всей России!

Горячими трещинами называются хрупкие межкристаллитные разрушения сварного шва или околошовной зоны, возникающие в области температурного интервала хрупкости в результате воздействия термодеформационного сварочного цикла. Горячие трещины чаще всего возникают в сплавах, обладающих выраженным крупнокристаллическим строением, с повышенной локальной концентрацией легкоплавких фаз. Согласно общепринятым представлениям, они возникают в том случае, если интенсивность нарастания деформаций в металле сварного соединения в период остывания приводит к деформациям большим, чем его пластичность в данных температурных условиях. Способность сварного соединения воспринимать без разрушения деформации, вызванные термодеформационным циклом сварки, определяет уровень его технологической прочности.

В МВТУ им. Н. Э. Баумана Н. Н. Прохоровым была разработана теория технологической прочности металлов при сварке, согласно которой сопротивляемость сварного соединения образованию горячих трещин определяется тремя основными факторами: пластичностью металла в температурном интервале хрупкости, значением этого интервала и характером нарастания деформации при охлаждении (темпом деформации сварного соединения).

Графически эти представления наглядно могут быть проиллюстрированы графиками, представленными на рис. 12.43. Кривые пластичности П характеризуют изменение пластичности сварного соединения в т.и.х., а кривые е — интенсивность нарастания деформаций в свариом соединении в процессе остывания или темп деформации дe/дT.

На рис. 12.43,а показано влияние величины минимальной пластичности в т.и.х. на сопротивляемость сварного соединения образованию горячих трещин. При этом принято, что деформационная способность сплава в т.и.х. определяется его пластичностью, так как при температурах в области Tc упругой деформацией можно пренебречь ввиду ее незначительности. При тех же значениях т.и.х. и темпа деформации de/dT сплав, обладающий большей пластичностью — Пз, трещины не даст, так как возникающий темп деформации (кривая е) недостаточен для исчерпания его пластичности.

У сплава, пластичность которого характеризуется кривой 2, в момент, определяемый точкой А, значения пластичности и возникающей деформации равны — кривые касаются. Это критический случай. В сплаве, обладающем пластичностью в т.и.х., характеризуемой кривой 1, при том же темпе деформации е и температуре, соответствующей точке Б, произойдет исчерпание пластических свойств и образуется трещина. Таким образом, чем больше пластичность сплава в т.и.х., тем при равных прочих условиях меньше вероятность образования горячих трещин.

Значение пластичности П и характер ее изменения в т.и.х. зависят от химического состава сплава, схемы кристаллизации сварного шва, развития химической и физической неоднородности и других факторов, значение и степень влияния которых существенно зависят от методов, приемов сварки, применяемых режимов и т. д.

На рис. 12.43, б представлен случай, когда сплавы при одинаковой минимальной пластичности отличаются протяженностью температурного интервала хрупкости. При этом принято, что характер изменения пластичности в т.и.х. у всех трех рассматриваемых сплавов одинаков и пластичность остается практически неизменной на всем протяжении т.и.х.

В этом случае чем больше протяженность температурного интервала хрупкости, тем больше вероятность возникновения трещины. Значение т.и.х., так же как и значение минимальной пластичности, зависит от многих факторов, поддающихся управлению,главные из которых — химический состав свариваемых материалов и применяемых присадочных проволок, покрытия электродов, флюсы, режим сварки, определяющий форму шва, схему кристаллизации, и процессы структурообразования в шве и околошовной зоне, размер зерна, характер и интенсивность протекания ликвационных и сегрегационных процессов и др.

На рис. 12.43, в рассмотрено влияние темпа деформации de/dT при одинаковых значениях П и т.и.х. В сварном шве, при кристаллизации которого возникает темп деформации е, характеризуемый кривой 1, при температуре T1 появится трещина, так как в этот момент значение деформации превысит пластичность соединения в т.и.х. Для соединения, темп деформации которого обозначен кривой 2, точка касания при температуре Т2 будет критической.

Сплав, характеризуемый кривой 3, трещины не образует; более того, он имеет еще и некоторый запас пластичности ΔП. Таким образом, чем меньше темп деформации в т.и.х., тем меньше вероятность образования горячих трещин. Темп деформации, характеризуемый наклоном кривой е к оси температур и кривизной самой кривой, зависит от усадки сплава и деформаций, развивающихся в околошовной зоне. Следует иметь в виду, что деформация в сварном шве, обусловленная кристаллизационными и структурными процессами при остывании, распределяется по сечению весьма неравномерно: участки шва с более высокими температурами и вследствие этого менее прочные деформируются больше, чем участки, прилегающие к зоне сплавления и охлаждающиеся более интенсивно. Такое неравномерное распределение деформаций в сварном шве и т.и.х. иногда называют концентрацией деформаций.

Для равновесных условий кристаллизации акад. А. А. Бочвар связывает вероятность образования горячих трещин с эффективным интервалом кристаллизации Тэф, определяемым как интервал температур, заключенный между температурой образования кристаллического каркаса внутри расплава и температурой солидуса. На рис. 12.44 изображен участок бинарной диаграммы состояния. По вертикальной оси отложены температура Т, линейная усадка сплава г и критическая скорость vкр, определяющая уровень технологической прочности сплава.

Штриховой линией нанесены температуры образования кристаллического каркаса. Заштрихованная область соответствует значениям эффективного интервала кристаллизации Тэф. Из приведенных кривых видно, что с увеличением Тэф возрастает линейная усадка ε, а уровень технологической прочности (vкр) падает.

Далее: Виды горячих трещин

www.autowelding.ru


Смотрите также