Современные представления о природе образования дефектов

Выявление и устранение дефектов сварных швов являются трудоёмкими операциями, которые могут существенно повысить стоимость сварного изделия. Поэтому снижение вероятности образования дефектов, даже за счёт повышения затрат на технологические операции, зачастую приносит экономические выгоды.


Однако разработка мероприятий по уменьшению опасности образования дефектов невозможна без знания природы их возникновения. Рассмотрим кратко современные представления о природе образования дефектов, встречающихся в сварных швах, т. е. горячих трещин, пор, неметаллических включений, подрезов, не проваров и наплавлении.


Основы современной теории образования горячих трещин. Согласно работам, склонность металла к образованию горячих трещин зависит от величины интервала кристаллизации между солидолом и температурой начала линейной усадки. Чем шире этот интервал кристаллизации, эффективным интервалом кристаллизации, а в сварочной литературе чаще называемый температурным интервалом хрупкости, тем выше вероятность образования горячих трещин. Несколько позже были проведены исследования по изучению природы образования горячих трещин и в сварных швах.

 

Обычно образование горячих трещин в сварных швах объясняют следующим образом. Кристаллизация металла шва вследствие неравномерности нагрева свариваемого металла и жёсткого закрепления деталей происходит в условиях воздействия на шов растягивающих напряжений. Это приводит к появлению деформаций, которые возникают в начале сварки и особенно усиливаются в процессе охлаждения сварочной ванны.

 

С момента начала кристаллизации металл сварочной ванны представляет собой двухфазную систему, состоящую из твёрдых кристаллов и расплавленного металла. Пока объем жидкого металла будет довольно большим, значительной будет и деформационная способность такой системы. При этом деформация всей системы происходит за счёт вязкого течения расплава в пространстве между кристаллитами.


С уменьшением объёма расплава деформационная способность твёрдо-жидкой системы снижается, и если величина деформаций превысит пластичность системы, то произойдёт разделение кристаллов, т. е. образуются трещины. Причём чем меньше размер кристаллов, тем выше пластичность двухфазной системы при одинаковом объёме расплавленных прослоек. Следовательно, трещины, образующиеся по описанному выше механизму, зарождаются в процессе первичной кристаллизации металла шва и располагаются по границам кристаллов. Такие трещины называются кристаллизационными.

 

Однако при сварке чистых металлов и однофазных сплавов трещины могут возникать по полигональной сетке границ, которые прямо не связаны с границами кристаллов. В этом случае образование трещин происходит следующим образом. После полного затвердевания металла возникает вторичная сетка полигональных границ, которые могут совпадать или не совпадать с границами первичных кристаллов. Образование полигонизационных границ связано с возникновением стенок дислокаций под действием усадочных и термических напряжений при температурах, близких к солидусу.

 

По этим границам, которые, очевидно, характеризуются повышенной рыхлостью, возможно образование трещин, называемых полигонизационными. Поскольку эти трещины возникают при температурах, близких к солидусу, и стенки их сильно окислены, их также относят к горячим трещинам. Однако интервал хрупкости при образовании полигонизационных трещин может распространяться и в области температур, лежащих значительно ниже солидуса. Так, при сварке однофазного никелевого сплава Х25Н60В15 интервал хрупкости доходит до температуры 1473 К, что значительно ниже температуры солидуса для этого сплава.


Помимо горячих трещин в сварном соединении часто образуются холодные трещины, которые возникают" обычно при температурах ниже 423—478 К- Чаще всего они расположены в около шовной зоне и реже — в металле сварных швов.

 

Холодные трещины могут возникнуть в изделии спустя некоторое время после сварки, причём даже в тот момент, когда конструкция находится в нерабочем состоянии. Поскольку, как отмечалось, появлению трещин предшествует возникновение локальной пластической деформации, очевидно, что в ненагруженном сварном соединении усилиями, вызывающими эти пластические деформации, могут быть только остаточные сварочные напряжения.

Однако кроме остаточных сварочных напряжений для образования холодных трещин необходимы ещё и дополнительные условия. К ним относятся: общее упрочнение металла в зоне сварки; наличие физико-химической неоднородности; укрупнение размеров кристаллитов, наличие компонентов, уменьшающих деформационную способность, например, водорода и т. д. Поэтому до самого последнего времени для объяснения процесса образования холодных трещин применяют две гипотезы — закалочную и водородную.

 

Для образования пор в сварных швах необходимо, чтобы давление выделяющегося газа было в состоянии преодолеть внешние силы, препятствующие его выделению. Именно это положение послужило основой метода оценки склонности металла к образованию пор. Согласно этому методу, поры в сварном шве образуются в том случае, если суммарное давление выделяющихся газов будет больше барометрического давления Рвн, т. е.

где Рсо; Ри2 — скрытые парциальные давления газов, участвующих в образовании газовых пузырьков.


При этом учитывать различную растворимость газов Н2> N2 в расплавленном и твёрдом металлах. Результаты экспериментов подтверждают взаимосвязь вероятности появления пор в сварном шве и величины суммарного скрытого давления выделяющихся газов. Однако многие эксперименты, в первую очередь проведённые при сварке в активных газах (воздух, водяной пар), свидетельствуют о том, что часто пористость в шве не образуется даже тогда, когда £РГ достигает 98—147 МПа.


Таким образом, очевидно, не только величина скрытого давления газов или, что то же, величина пресыщения металла газом, является причиной образования пор. К тому же такой подход не раскрывает все стороны физики процесса порообразования. Хотя ясно, что этот процесс определяется не только содержанием газов в металле — он будет гораздо более сложным.


В последнее время появились работы, в которых процесс порообразования связывают с теорией образования новой фазы и с поверхностными явлениями. При таком подходе к процессу образования пор возможно более точно и полно описать механизм процесса с учётом влияния границ раздела, энергетических особенностей образования газовых зародышей различными газами, роста газового зародыша и его удаления из сварочной ванны и так далее. Нужно отметить, что попытки описать процесс порообразования в свете физики поверхностных явлений делались и раньше, но, по-видимому, недостаток экспериментальных данных не позволил авторам разобрать этот процесс более подробно.

 

Несмотря на то что изучению процесса порообразования посвящены сотни работ, процесс этот ввиду многочисленности факторов, влияющих на его ход, fece ещё остаётся до конца неясным и часто является предметом дискуссий, в которых высказываются прямо противоположные мнения.


Согласно современным представлениям, большая часть неметаллических включений в сварном шве образуется в результате различных физико-химических процессов, т. е. имеют эндогенное происхождение. Лишь незначительная часть неметаллических включений вносится в сварочную ванну извне, т. е. имеет экзогенное происхождение.


В зависимости от состава неметаллические включения могут быть оксидные, сульфидные и карбидные. Довольно часто они присутствуют в сварном шве не в чистом виде, а в виде различных комплексных включений. Интенсивность образования неметаллических включений, их состав, форма и размеры зависят от многих причин (химического состава металла шва, который, в свою очередь, зависит от применяемых сварочных материалов; способа и режимов сварки; стойкости образуемых соединений при высоких температурах; температуры сварочной ванны и т. д.).