Кристаллизационные трещины при сварке

Обновлено: 24.01.2025

Одними из самых опасных дефектов сварных соединений конструкций являются трещины, возникающие чаще всего при сварке высокоуглеродистых и легированных, в т.ч. низколегированных строительных, сталей в связи с возможным образованием закалочных структур в результате больших скоростей охлаждения при сварке. Вместе с тем, трещинообразование зависит не только от химсостава основного металла, но и от жесткости узлов и технологии сварки, от применяемых сварочных материалов, их подготовки и т.д. Поэтому для производственных условий, при выполнении научно-исследовательских работ и расследовании аварий строительных конструкций часто применяют испытание различных образцов (пробы), что также не является универсальным и не учитывает одновременно все факторы, влияющие на свариваемость.

Технологические пробы на свариваемость подразделяют на качественные и количественные, пробы – на оценку склонности стойкости против образования «горячих» и «холодных» трещин при сварке.

Всего в мире известно более трехсот проб. Рассмотрим две из них.

В зависимости от температурного интервала возникновения различают трещины горячие (кристаллизационные) и холодные (внутрикристаллические).

Горячие или кристаллизационные трещины это такие, которые появляются в металле на завершающей стадии кристаллизации в интервале температур 1200-1000 о С. При остывании и затвердевании шва в процессе первичной кристаллизации между кристаллами остаются жидкие или полужидкие обогащенные растворенными элементами прослойки с температурой плавления ниже, чем у основного металла. При существовании таких прослоек в момент появления растягивающих напряжений, вызванных неравномерностью нагрева и остывания при сварке, в шве образуются горящие трещины. Они проходят по этим малопрочным прослойкам между кристаллами.

Горячие трещины могут появляться и в околошовной зоне, где при действии высокой температуры по границам растущих зерен выделяются легкоплавкие составляющие и вредные примеси.

Образование горячих трещин зависит от химсостава металла шва, термического цикла сварки, вида соединения и жесткости конструкции, направленности кристаллизации и др. Склонность наплавленного металла к образованию трещин увеличивают сера (FeS; MnS+FeS), углерод, кремний, водород и т.д.

Существует несколько способов определения стойкости стали против образования горячих трещин. Один из способов, применяемый для всех способов дуговой сварки при толщине металла от 8 до 60 мм, состоит в следующем.

Для пробы (испытания) изготавливают образец из двух пластин (рис. 2.1), привариваемых по контуру к плите, и имеющих разделку кромок под сварку контрольного стыкового шва. Заваренный контрольный стыковой шов после остывания осматривают через лупу с целью выявления наружных трещин. После этого удаляю закрепляющие швы и образец разрезают на 4 темплета шириной b = 70 мм (при сварке под флюсом) и b = 45 мм – при ручной сварке. Темплеты разрушают по контрольному шву путем изгиба или растяжения и изучают излом на предмет наличия трещин. По наличию или отсутствию трещин дают качественную оценку склонности металла шва к образованию трещин.

Рис. 2.1.Образец для определения стойкости металла шва против образования горячих трещин.

Несколько видоизмененной конструкции подготавливают и исследуют образцы для определения склонности к образованию трещин углового шва или околошовной зоны.

Качественная проба Кировского завода на холодные трещины. На дно выточки образца из испытуемой стали (рис. 2.2), представляющего собой круглую, жестко заделанную по периметру пластину, наплавляют по диаметру валик сварного шва. В процессе наплавки регулируют интенсивность охлаждения сварного соединения, а тем самым распределение и величину твердости в зоне термического влияния (ЗТВ) и напряженное состояние, с помощью подогрева или охлаждения обратной поверхности образца. После остывания из образца вырезают темплеты шириной b = 8 – 10 мм, на боковых гранях которых изготавливают микрошлифы и изучают под микроскопом с целью выявления трещин. При этом измеряют микротвердость структуры по Виккерсу или Роквеллу. Т.к. выявить микротрещины при этом маловероятно, критерием оценки их образования при сварке (в процессе остывания) является наличие (отсутствие) структуры мартенсита, обладающей весьма высокой твердостью (Н_Б = 500 – 600) и полным отсутствием пластических свойств.

Рис. 2.2.Качественная проба Кировского завода на холодные трещины

Сталь считается хорошо сваривающейся, если при охлаждении образца водой трещины в наплавляемом валике и ЗТВ не появляются. При появлении трещин в случае охлаждения водой, но при отсутствии их при охлаждении на воздухе, сталь считается удовлетворительно сваривающейся. К ограниченно сваривающимся относятся стали, дающие трещины при охлаждении сварного соединения на воздухе и не дающие – при подогреве образца до Т ≤ 50 о С. Избежать трещинообразования при сварке плохосваривающихся сталей можно только с помощью предварительного подогрева до более высокой температуры (Т > 150 о С).

Горячие и холодные трещины при сварке

Согласно ГОСТу 30242 все дефекты разделяют на шесть групп. Первая из них целиком принадлежит трещинам. Дефект шва, называемый трещиной, - это несплошность в виде разрыва металла. В месте образования появляется очаг напряжения, который при эксплуатации изделия приведет к дальнейшему разрушению.

Поэтому трещина считается недопустимым дефектом и подлежит устранению. Место образования трещин бывает, как в самом шве, так и в околошовной зоне, где сохраняется термическое влияние. Увидеть этот дефект нетрудно при визуальном осмотре. Для уточнения вида и ее размеров можно использовать лупу с большим увеличением. Ее приходится применять обязательно для обнаружения микротрещин.

Виды трещин

Существуют две разновидности трещин: первая их них называется горячей или высокотемпературной, а вторая - холодной или низкотемпературной. Каждая из них имеет градацию по другим признакам. Горячие и холодные трещины при сварке делятся по направлению - продольные, поперечные, могут быть радиальными или находиться в кратере валика. Горячие трещины образуются в металле при очень высокой температуре - более 1000°С, а для холодных достаточно более низкого значения в 200-300°С.

Горячие

Горячие трещины - это, по определению, разрушения межкристаллического характера. Цвет излома имеют темный, а форму - извилистую. Окисление является сильным.

Причины образования горячих трещин при сварке:

Деформации, вызванные укорочением.
Жидкие прослойки между зернами.
Невозможность перемещения деталей для правильного остывания, что происходит при их слишком сильной фиксации.
Нарушение связей между зернами из-за наличия элементов с низкой температурой затвердевания.
Присутствие примесей и включений. Особенно влияют сера и фосфор.

Горячие трещины при сварке имеют следующую последовательность образования:

после прекращения нагрева горячий металл начинает понемногу охлаждаться;
при определенной температуре в сварном шве начинают образовываться кристаллы, между которыми имеются прослойки в жидком виде;
происходит возрастание напряжений, приводящих к понижению деформационной способности шва и зоны вокруг него.

В результате неодинаковой усадки шва и свариваемого материала после охлаждения возникают внутренние напряжения, вызывающие появление трещин в разных направлениях.

Холодные

Холодные трещины при сварке образуются в теле самого шва и рядом. Они располагаются в продольном и поперечном направлениях под любым углом ко шву. Излом имеет светлый оттенок. Время появления - период остывания деталей. Трещины могут появляться, начиная с температуры 300 °С, поэтому их называют холодными в отличие от горячих.

Наиболее распространенные места появления холодных трещин - корень шва и место, где стыкуются валик и свариваемый металл. Такой вид трещин может появляться не только на поверхности, но и внутри металла. Их протяженность может быть небольшой. Обнаружить внутренние трещины более сложно.

Холодные трещины не имеют такого сильного разветвления, как у горячих. Меньшим является и их раскрытие. При реакции с кислородом воздуха их цвет становится коричневым или голубоватым. Высокопрочные и низколегированные стали являются наиболее уязвимыми.

Холодные трещины при сварке - причины возникновения:

Слишком сильное соединение свариваемых деталей.
Маленький диаметр электрода, не соответствующий толщине свариваемых деталей.
Несоблюдение технологии сварки.
Повышенное содержание углерода.
Слишком быстрое охлаждение.
Наличие внутренних напряжений.
Неправильный выбор электрода.

При возможности следует избегать ситуаций, когда образуются холодные трещины при сварке.

Кристаллизация

Кристаллизацией называется процесс, состоящий в образовании кристаллов. Это происходит при переходе металла из состояния жидкого в твердое. Именно это и происходит при сварке металлических изделий.

Этот процесс в сварном шве приводит к деформированию металлов и образованию трещин. Какие виды трещин образуются при кристаллизации сварного шва? Горячие, которые имеют второе название кристаллизационные, могут появиться в металлическом шве на последней стадии кристаллизации. При этом температура близка к солидусу, когда происходит исчезновение последних капель жидкого металла.

Предупреждение появления трещин

Существуют определенные меры, уменьшающие вероятность возникновения различных видов трещин:

Уменьшение жесткости соединения свариваемых деталей.
Подбирать ширину сварного шва, соизмеримую с толщиной деталей.
Значение сварного тока должно соответствовать рекомендуемому данному виду соединения. Превышение приведет к перегреву.
Сварочную проволоку выбирать с небольшим содержанием серы и углерода.
Соблюдать угол наклона электрода.
Шов не должен быть слишком узким.
Применение многопроходного способа сваривания. Однопроходные швы являются менее прочными.

Не лишним будет предварительный нагрев свариваемых деталей.

Ликвидация трещин

В нормативных материалах указаны меры борьбы с дефектами, в том числе трещинами. Основной метод - сварка трещин. Перед заваркой необходимо произвести подготовку. Она состоит в осмотре повреждения и определении его длины. Окончания трещины высверливают, а при невозможности выполнить эту операцию прижигают концы. Перед началом операции исправляемую область можно слегка подогреть. Если длина трещины составляет более 300 мм, то имеет смысл применить обратноступенчатый метод.

Сварка при ремонте автомобиля

Одной из главных частей автомобиля является головка блока цилиндров. От ее исправности зависит работа двигателя. При образовании в этой детали трещины для ремонта применяется ее заварка. Сварка трещин ГБЦ производится электросваркой. Возможно также применение газовой сварки. После окончания сварки шов покрывают эпоксидной пастой.

Интересное видео

Положениями ГОСТа 30242 предусматривается разделение всех существующих дефектов сварочного производства на шесть групп. Первую из них составляют разного рода трещины – изъяны в виде продольного разрыва металла в месте соединения. Они образуются под воздействием напряжения, которое образуется после сваривания заготовок, или в результате внешнего механического воздействия. Эксплуатация конструкции с такими повреждениями рано или поздно приводит к их разрушению.

Трещина относится к числу недопустимых дефектов и должна быть устранена в обязательном порядке. Такого рода дефекты образуются как на сварном шве, так и в округ него в пределах зон, где сохраняется термическое влияние. Обнаружить их можно при визуальном контроле качества соединения. Чтобы детальнее рассмотреть характер и размеры повреждения, можно воспользоваться лупой с большим увеличением. С ее помощью обнаруживаются и микротрещины.

Трещины принято классифицировать. Различают два их вида: горячие (высокотемпературные) и холодные (низкотемпературные). Каждый из видов имеет градацию по ряду признаков. Горячие и холодные трещины делятся по направлению – поперечные или продольные могут быть в самом кратере сварного шва или же располагаться по всей ширине валика в виде изогнутой линии (радиальные). Трещины горячие возникают при высокой температуре – 1000 и более градусов Цельсия. Холодные образуются при температурах намного ниже – 200-300 градусов Цельсия.

Причины образования горячих трещин при сварке

Горячие трещины – это разрушения шва или металла в зоне термического влияния сварки на межкристаллическом уровне. Изъян образуется в стадии твердожидкого состояния расплава после завершения процесса кристаллизации или же в твердом его состоянии при высоких температурах. Излом имеет темный цвет и извилистую форму.

Причины образования горячих трещин выполнении сварочных работ:

Деформация может быть вызвана укорочением.
Между зернами есть жидкие прослойки.
Из-за фиксации деталей, что исключает их перемещение для правильного остывания.
В силу нарушения связей между зернами, вызванного сторонними включениями с низкой температурой твердения.
Присутствия других включений. Особую опасность представляют фосфор и сера.

Последовательность образования горячих трещин:

Прекращения нагрева влечет начало процесса остывания расплава и металла вокруг ванночки.
После достижения определенной температуры в расплаве начинают образовываться кристаллы. Между твердыми частицами есть прослойки жидкого вещества.
Возрастает внутреннее напряжение, приводящее к снижению способности металла деформироваться.

Разная усадка сварных швов и горячего металла вокруг них провоцирую появления сильных внутренних напряжений, в результате которых в разных направлениях возникают трещины.

Для улучшения качества и увеличения скорости работ, вы всегда можете воcпользоваться нашими верстаками собственного производства от компании VTM.

Когда образуются холодные трещины

Холодные трещины – это разрушения на межкристаллическом уровне шва или зоны вокруг него, которые образуются в процессе кристаллизации расплава, который находится в твердожидком агрегатном состоянии. Пространственное расположение изъянов может быть любым: продольным, поперечным или под углом. Излом обладает светлым оттенком и проявляется постепенно в процессе остывания сварного соединения. Трещины становятся видимыми уже при 300 градусах Цельсия. По этой причине их называют холодными.

Чаще всего холодные трещины образуются в корне шва и в месте соприкосновения валика с металлом заготовки. Основное «коварство» такого рода дефектов заключается в том, что могут образовываться не только на поверхности, но и внутри металла. Они могут быть небольшого размера и обнаружить такие трещины намного сложнее, чем горячие.

Еще одно важное отличие заключается в том, что холодные трещины не обладают разветвленной структурой, как горячие. Раскрываются они тоже не настолько широко. Реагируя с атмосферным кислородом изъяны обретают голубоватый или коричневатый оттенок. Наиболее уязвимыми являются изделия из низколегированной или высокопрочной стали.

Причины образования холодных трещин:

Чрезмерно сильное соединение свариваемых заготовок.
Неверно подобран диаметр электрода: меньше оптимального.
Нарушена технология выполнения сварочных работ.
Высокой содержание углерода в металле.
Сварной шов был охлажден слишком быстро.
Большие внутренние напряжения.

Кристаллы образуются в процессе остывания металла, то есть в тот период, когда он из жидкого состояния переходит в твердое. Именно такой процесс имеет место быть после сваривания заготовок. В это время высока вероятность деформации металла и образования трещин.

В процессе кристаллизации сварного шва образуются горячие трещины. Их еще называют кристаллизационными. Они становятся заметными уже на последнем этапе кристаллизации, когда температура близка к солидусу и исчезают последние капли жидкого металла.

Как избежать появления трещин

Вероятность образования трещин можно уменьшить. Для этого следует придерживаться некоторых рекомендаций:

Снизить жесткость стыка свариваемых заготовок.
Ширина сварного шва должна соответствовать толщине полок соединяемых элементов.
Сила сварочного тока должна быть в пределах рекомендованных для конкретного типа работ значениях.
Содержание углерода и серы в присадочных материалах должно быть минимальным.
Удерживать электрод под оптимальным углом по отношению к рабочей поверхности.
Не делать сварочный шов слишком узким.
Сваривать заготовки в несколько проходов. Однопроходные швы являются наименее прочными.

Не помешает предварительно нагреть соединяемые заготовки.

Нормативные документы содержат информацию о наиболее эффективных мерах предупреждения и ликвидации брака в сварочных работах, в том числе и разного рода трещинах. Основным способом исправления трещин является их заваривание. Перед устранением дефекта следует выполнить подготовительные работы.

Сначала нужно осмотреть изъян, чтобы точно определить его начало и окончание. Края трещин высверливают, а если сделать это не представляется возможным, то прижигают. Сначала реставрируемую область можно несколько подогреть. Если трещина слишком большая и ее длина составляет 30 и более сантиметров, то заварить ее следует обратноступенчатым способом.

Исправление трещин при ремонте авто

Головка блока цилиндров (ГБЦ) относится к числу наиболее важных элементов автомобиля. Если она неисправна, то машина по факту остается без силовой установки. Если корпус ГБЦ имеет трещину, то ее можно заварить. Для этого используется электродуговая сварка. Не исключается также использование газовой горелки. После завершения всех работ сварной шов покрывается эпоксидной смолой.

Кристаллизационные трещины

Кристаллизационные трещины это макроскопические и/или микроскопические несплошности, имеющие характер надреза и зарождающиеся в процессе первичной кристаллизации наплавленного металла. Кристаллизационные трещины могут выходить или не выходить на поверхность наплавленного валика. Трещины, выходящие на поверхность шва, легко обнаруживают при визуальном контроле, методами капиллярной или магнитной дефектоскопии. Трещины, расположенные внутри наплавленного металла, можно обнаруживать просвечиванием рентгеновскими или гамма-лучами, ультразвуком, а при разрушении детали – по излому или по макро- и микрошлифам.

Стойкость наплавленного металла против кристаллизационных трещин зависит от следующих факторов:

- величины и скорости нарастания растягивающих напряжении, действующих в процессе кристаллизации;

- химического состава наплавленного металла, определяющего его свойства в период кристаллизации и длительность пребывания в состоянии пониженной пластичности;

- формы сварочной ванны, от которой зависит направление роста столбчатых кристаллитов, характер их смыкания между собой, расположение межкристаллитных участков по отношению к растягивающим напряжениям и характер изменения пластической деформации;

- величины первичных кристаллитов.

В реальных условиях наплавки практически невозможно полностью устранить влияние растягивающих напряжений на кристаллизующийся металл сварочной ванны. Задача сводится к тому, чтобы уменьшить эти напряжения и отдалить момент их возрастания до значений, которые могут вызвать пластическую деформацию металла шва, приводящую к его разрушению.

Уменьшение растягивающих напряжений достигается в первую очередь путём предварительного подогрева, который является весьма эффективным средством повышения стойкости наплавленного металла против образования кристаллизационных трещин. Положительное влияние подогрева обусловлено отдалением момента возникновения растягивающих напряжений и снижением скорости их нарастания в период, когда металл шва обладает пониженной пластичностью. Температура предварительного подогрева, при которой не возникают трещины, зависит от химического состава наплавленного металла, конструкции детали и других факторов и обычно составляет 150…500°С.

Химический состав наплавленного металла оказывает первостепенное влияние на его стойкость против образования кристаллизационных трещин. Легирующие элементы по возможному их влиянию на склонность наплавленного металла к кристаллизационным трещинам можно разделить на три группы:

- элементы, повышающие склонность наплавленного металла к трещинам:

- элементы, которые в зависимости от их концентрации и сочетания, оказывают положительное или отрицательное действие на склонность металла к кристаллизационным трещинам;

- элементы, которые практически не влияют на склонность металла к кристаллизационным трещинам.

Сера относится к числу элементов, в наибольшей степени снижающих стойкость наплавленного металла против образования кристаллизационных трещин. Причиной образования трещин являются легкоплавкие прослойки сульфидной эвтектики, выделяющиеся по границам кристаллитов. При наплавке необходимо по возможности ограничивать содержание серы в основном, электродном (присадочном) материалах и во флюсе. В некоторых случаях применяют обессеривание ванны за счет специальных флюсов и покрытий, при этом сера переходит из металла сварочной ванны в шлак.

Фосфор зачастую оказывает вредное влияние на стойкость наплавленного металла против образования кристаллизационных трещин. Аналогично сере фосфор образует легкоплавкие фосфидные эвтектики по границам зёрен, которые и служат причиной образования кристаллизационных трещин.

Влияние фосфора и серы на процесс образования кристаллизационных трещин взаимно усиливается, так как места ликвации этих элементов совпадают. Углерод, как и в случае с серой, усиливает вредное влияние фосфора.

Углерод оказывает резко отрицательное влияние на стойкость наплавленного металла против образования кристаллизационных трещин. В наплавленном металле типа углеродистых низколегированных сталей углерод усиливает вредное влияние серы и фосфора.

Кремний способствует образованию кристаллизационных трещин в наплавленном металле типа углеродистых низколегированных сталей. Кремний переходит в наплавленный металл из основного и электродного (присадочного) и за счёт его восстановления из электродного покрытия или флюса. Рациональная технология наплавки должна обеспечивать присутствие в наплавленном металле кремния в количестве, повышающем его стойкость против пор, но не вызывающем снижения стойкости против образования трещин.

Марганец уменьшает вредное влияние серы, повышая стойкость наплавленного металла типа углеродистых низколегированных и хромоникелевых аустенитных сталей против образования горячих трещин. При достаточной концентрации марганец связывает серу в тугоплавкий сульфид марганца, включения которого менее опасны для возникновения трещин, чем включения сульфида железа.

Никель также относится к числу элементов двойного действия. При небольших концентрациях (до 2%) он не оказывает влияния на стойкость наплавленного металла против образования горячих трещин. При более высоком содержании никель усиливает вредное влияние серы, способствуя образованию кристаллизационных трещин.

Широко применяемые при наплавке износостойкие высокоуглеродистые стали и сплавы на основе железа содержат карбидообразующие элементы – хром, вольфрам, молибден, ванадий, ниобий, титан. При наличии углерода и карбидообразующих элементов в сплавах на основе железа наблюдается образование легкоплавких ледебуритных эвтектик, выделяющихся по границам зёрен. В зависимости от сродства к углероду ледебуритные эвтектики и, соответственно, трещины образуются при различном соотношении содержания карбидообразующего элемента и углерода. Однако принципиально механизм влияния этих элементов на склонность наплавленного металла к образованию кристаллизационных трещин одинаков: при малых концентрациях карбидной эвтектики возможно образование кристаллизационных трещин, а при больших, вследствие эффекта «залечивания», трещины не образуются.

Бор относится к числу элементов, оказывающих отрицательное влияние на склонность наплавленного металла на основе железа к кристаллизационным трещинам. Присадка 0,03% бора приводит к появлению трещин, а увеличение его содержания до 0,3% и более – к резкому возрастанию их количества.

Регулируя химический состав наплавленного металла, уменьшая в нём содержание вредных и увеличивая содержание полезных элементов, можно повысить стойкость наплавленного металла против кристаллизационных трещин. Изменять химический состав наплавленного металла в нужном направлении можно за счет применения основного и электродного (присадочного) металлов с пониженной концентрацией вредных примесей (серы и фосфора). Это достигается уменьшением доли основного металла в наплавленном металле, выбором состава электродного покрытия или флюса. При металлургическом взаимодействии покрытия или флюса с металлом сварочной ванны происходит очищение наплавленного металла от вредных элементов и его легирование полезными элементами.

Форма сварочной ванны также влияет на склонность наплавленного металла к кристаллизационным трещинам. Форму сварочной ванны и соответственно сечение наплавленного валика можно откорректировать, изменив параметры режима наплавки или применив иной способ наплавки. При этом изменяется ориентация и характер срастания столбчатых кристаллитов. Конфигурация шва характеризуется коэффициентом формы, т.е. отношением ширины шва к глубине проплавления. При прочих равных условиях с увеличением коэффициента формы шва до определенного предела (примерно до 6) склонность к трещинам уменьшается. Дальнейшее увеличение коэффициента формы шва приводит к снижению стойкости против кристаллизационных трещин.

Стойкость наплавленного металла против образования горячих трещин может быть повышена путём измельчения первичной структуры металла шва и изменения характера первичной кристаллизации. При этом уменьшается химическая неоднородность и концентрация вредных примесей по границам кристаллитов.

Дефекты сварных соединений и контроль качества сварки

1. Порядок выбора технологического процесса сварки изделия?

2. Типы сварных соединений.

3. Как выбрать режимы РДС?

4. Технология и режимы механизированной сварки под флюсом.

5. Технология сварки меди и её сплавов.

6. Как сваривают изделия из латуни и бронзы?

7. Технология сварки алюминия и её сплавов.

8. Трудности при сварке изделий из титановых сплавов?

9. Способы сварки титановых сплавов?

10. Как сваривают разнородные материалы?

11. Сварка пластмасс.

12. Техника безопасности при проведении сварочных работ.

Дефекты шва и сварных соединений.Качество сварных соединений в значительной мере определяет эксплуатационную надёжность и экономичность конструкций. Наличие в сварных швах дефектов может привести к нарушению герметичности, прочности судовых сварных конструкций, а в отдельных случаях и к разрушению корпуса судна.

Дефекты сварных соединений условно разделяют на 2 группы:

1-ая группа – дефекты физико-химического происхождения (поры, неметаллические включения, горячие и холодные трещины);

2-ая группа - дефекты технологического происхождения или их называют дефектами формирования шва (непровары, несплавления, неравномерность размеров сечений швов по их длине, наплывы металла швов, подрезы, кратеры, трещины наружные и пр.).

Поры. Этозаполненные газом полости в металле шва, имеющие округлую, вытянутую и более сложную форму. Они возникают при первичной кристаллизации металла сварочной ванны в результате выделения газов.

Поры могут быть микроскопическими и крупными (диаметром 4-6 мм). Выходящие на поверхность поры (свищи) выявляются при внешнем осмотре, а внутренние – рентгенографированием или ультразвуковым методом. Основной причиной образования пор при сварке стали являются водород, азот, окись углерода. Остальные газы (Н₂О, СО₂ и др.) не оказывают существенного влияния на порообразования.

При сварке алюминия, меди и их сплавов пористость в основном вызывается водородом и парами воды. Для предупреждения пор в этом случае металл сварного шва должен содержать не менее 0,15% кремния.

Образование пор в швах из стали от выделения водорода и азота обусловлено резким снижением их растворимости в процессе затвердевания металла сварочной ванны. На пористость швов существенное влияние оказывает скорость кристаллизации сварочной ванны. При большой скорости кристаллизации металла

Рост кристаллитов обгоняет рост и всплытие пузырька газа, пузырёк захватывается металлом, в результате чего образуется пора. Снижение скорости сварки, увеличение объёма сварочной ванны, уменьшение теплоотвода в основной металл и увеличение его начальной температуры снижают скорость кристаллизации металла и уменьшают пористость швов.

Неметаллические включения. К ним относятся оксидные, сульфидные, фосфоросодержащие и нитридные включения. Источником их служит осаждающее раскисление и сварочные шлаки. Основную роль при этом играют процессы раскисления. Наличие в металле шва неметаллических включений приводит к снижению пластичности и хладостойкости. Загрязнение металла шва неметаллическими включениями ослабляется при комплексном раскислении. В этом случае продукты раскисления образуют легкоплавкие эвтектики, которые в значительной мере вытесняются фронтом растущих дендритов на поверхность шва.

Горячие трещины. Это макроскопические или микроскопические, имеющие характер надреза, несплошности. Горячие трещины возникают при температурах, близких температуре кристаллизации металла (900 – 1400 0 С – для сталей) и зависят от химического состава металла. Они подразделяются на кристаллизационные и подсолидусные. Кристаллизационные трещины зарождаются в процессе первичной кристаллизации металла шва и могут затем развиваться при остывании металла в твёрдом состоянии. По расположению они могут быть продольные и поперечные.

Подсолидусные трещины образуются уже в твёрдом металле, при температурах несколько ниже температуры солидуса (на 50-100 0 С). Природа образования трещин двух видов различна.

Процесс образования кристаллизационных трещин может быть описан следующей схемой. При кристаллизации на металл шва воздействуют растягивающие напряжения, возникающие в результате неравномерного нагрева и охлаждения свариваемого металла, жёсткого закрепления деталей и затруднённого сокращения металла шва. Наличие растягивающих напряжений вызывает пластическую деформацию металла шва, причём интенсивность её нарастания увеличивается со снижением температуры. Если деформация металла, вызванная усадкой ε_1, превысит деформационную способность металла, характеризующуюся относительной деформацией δ,то произойдёт разделение кристаллитов, т. е. образование трещин (ε₁ > δ ). Эти механические условия были положены в основу схемы образования горячих трещин, разработанной доктором технических наук Н.Н. Прохоровым [1,4]. На рис.8.1. представлена зависимость деформационной способности сплава δ от температуры Т, которая, как правило, определяется экспериментально.

Эта схема (Рис.8.1) иллюстрирует механические условия образования горячих трещин (по Н.Н. Прохорову). Здесь:

ТИХ - температурный интервал хрупкости;

δ- относительное удлинение металла при растяжении;

ε - фактическая деформация металла;

S - линия солидуса;

L - линия ликвидуса.

При снижении температуры деформационная способность металла резко падает, при этом минимальное значение наблюдается при образовании двухфазного состояния, в котором кристаллиты разобщены небольшим количеством эвтектики, располагающейся по их границам в виде плёнки. Этот температурный интервал называется температурным интервалом хрупкости (ТИХ). В первом приближении от величины (ТИХ) зависит фактическая деформация

ε = α · (ТИХ)

Где α - коэффициент линейного расширения металла.

Минимальная деформационная способность металла зависит от количества эвтектики. С появлением эвтектики δ_min вначале снижается, а затем повышается, а склонность к кристаллизационным трещинам уменьшается. Это приводит к залечиванию трещин, т. е. заполнению образующихся в металле трещин эвтектикой, имеющейся в избытке.

Кристаллизационные трещины проходят по ликвационным прослойкам, разъединяющим кристаллиты. В сварных швах они располагаются вдоль границы кристаллитов ( при наличии междендритной ликвации) либо посередине шва (при наличии зональной ликвации).

В отличие от кристаллизационных трещин, имеющих межкристаллитный характер, подсолидусные трещины проходят внутри кристаллов. Их образование связывают со снижением пластичности металла шва вблизи линии солидуса. Это объясняется влиянием диффузионных процессов, приводящих к укрупнению зерна, уменьшению протяжённости их границ, появлению на границах различных дефектов и ослаблению прочности связей между зёрнами.

Подсолидусные трещины возникают преимущественно на границах зёрен и характерны для однофазных сплавов.

Стойкость металла шва и ЗТВ против образования горячих трещин зависит от δ_min , ТИХ и темпа нарастания деформаций во времени dε/dt.

Для уменьшения склонности сварных швов к образованию горячих трещин следует принимать следующие меры:

1. использовать сварочные материалы , обеспечивающие минимальное содержание в шве серы, фосфора и углерода;

2. легировать металл шва марганцем, связывающим серу в тугоплавкое соединение МnS;

3. применять сварные соединения, имеющие малую склонность к образованию трещин (широкие швы с большим значением Ψ );

4. измельчение первичной структуры и предотвращение образования крупностолбчатой структуры путём введения в шов модифицирующих элементов ( титан, алюминий и др.);

5. уменьшения темпа нарастания деформации путём применения предварительного и сопутствующего сварке подогрева, а также выбором режимов сварки и параметров шва. Кристаллизационные трещины могут возникать не только в металле шва, но и на участке перегрева ЗТВ.

Холодные трещины. Это типичный дефект среднелегированных и высоколегированных сталей перлитного класса. В отличие от кристаллизационных и подсолидусных трещин холодные трещины образуются в сварных соединениях при невысоких температурах, ниже 200 0 С. Они могут иметь водородное происхождение, закалочное или смешанное и носят замедленный характер образования в отличие от горячих трещин.

Трещины водородного происхождения образуются в результате появления на границах зёрен флокенов (пузырьков), заполненных молекулярным водородом, диффундирующим в атамарном виде из металла.

Трещины закалочного происхождения наблюдаются при образовании в металле шва и околошовной зоны хрупкой структуры мартенсита.

Борьба с холодными трещинами – это способы борьбы с водородом и применение сопутствующего подогрева при сварке.

Величины допустимых погрешностей в размерах сварных швов оговорены для ручной сварки в отраслевой судостроительной нормали, а для сварки под флюсом – в ГОСТ РФ 8713 – 70, а также в Правилах Регистра РФ [ 7 ]. Правилами Регистра РФ установлено, что в стыковых швах ответственных листовых корпусных конструкций недопустимы несплавления, непровары, трещины. Однако в швах допускаются незначительные дефекты ( поры, включения, поверхностные дефекты).

Контроль качества сварки.Повышение качества, а следовательно и конкурентоспособности выпускаемой продукции – одна из важнейших экономических и политических задач на современном этапе развития рыночных отношений и проведения модернизации экономики в РФ.

От качества выполнения сварных соединений корпусных конструкций зависит эксплуатационная долговечность судна и безопасность плавания.

Обнаружение дефектов сварных швов и выявление их причин с целью предупреждения их появления вновь, применение действенных методов контроля и испытаний являются важным и необходимым этапом постройки и ремонта судов. Как уже было сказано выше, все дефекты подразделяются на внутренние и наружные и дали краткую оценку некоторых из них. Одни из дефектов при определённых размерах могут быть допустимыми, другие – нет. Так Правила Морского Регистра РФ допускают поры размером менее 0,1 толщины листов, но не более 2 мм; подрезы основного металла глубиной не более 0,5 мм и длиной не более 15 мм при суммарной протяжённости подрезов не более 10% длины шва. Наружные дефекты в сварных швах, которые снижают прочностные свойства и могут привести при эксплуатации к появлению трещин и даже к разрушению конструкции недопустимы и их необходимо при обнаружении сразу, исправлять.

Внутренние дефекты сварных швов не обнаруживаются при визуальном осмотре и испытаниях на непроницаемость. Для выявления внутренних дефектов применяются различные физические методы контроля: рентгено- и гаммаграфирование, ультразвуковой контроль и др.

Читайте также: