Трещины в сварных швах

Трещины — один из наиболее опасных дефектов в сварных соединениях. Различают два типа трещин горячие и холодные. Стенки горячих трещин обычно сильно окислены, а у холодных трещин стенки блестящие, чистые. Отличительной особенностью горячих трещин является межкристаллитное их расположение, в то время как холодные трещины в основном проходят через тело кристаллов, т. е. имеют транскристаллитное расположение.


Горячие трещины обычно расположены в металле шва и могут образоваться в процессе кристаллизации металла и при температурах, ниже температуры солидуса для данного металла.


Трещины первого вида называют кристаллизационными, второго — полигонизационными, или подсолидусными. Общим фактором, влияющим на образование кристаллизационных и полигонизационных трещин, является наличие растягивающих напряжений, возникающих в процессе охлаждения сварного соединения. Однако кристаллизационные трещины образуются в твердожидком металле, а полигонизационные — в твёрдом металле.


Появление кристаллизационных трещин происходит в определённом интервале, который называется температурным интервалом хрупкости (ТИХ).

Величину ТИХ ориентировочно можно определить из диаграммы состояния данного сплава, считая, что с увеличением интервала кристаллизации увеличивается и эффективный интервал кристаллизации, а значит, и ТИХ. Однако такая оценка весьма приблизительная, так как при этом не учитывается влияние примесей, всегда присутствующих в технических сплавах, на свойства межкристаллитных прослоек и температуру солидуса.


Холодные трещины чаще всего возникают в около шовной зоне и реже в металле шва. Как правило, они образуются при сварке изделий из средне- и высоколегированных сталей перлитного и мартенситного классов. Однако эти трещины могут появиться и в сварных соединениях из низколегированных сталей перлитно-ферритного и высоколегированных сталей аустенитного классов. Они могут иметь закалочное, водородное или смешанное происхождение.


Результаты исследований, проведенных Б. А. Мовчаном, Г. Л. Петровым, В. В. Подгаецким, Н. Н. Прохоровым, Д. М. Рабкиным, И. И. Фруминым, Дж. Борлендом и другими учеными, показали, что процесс образования горячих и холодных трещин зависит от многих факторов.


Факторы, влияющие на образование кристаллизационных трещин.


Как отмечалось, кристаллизационные трещины образуются под действием сварочных напряжений в тот период времени, когда сварочная ванна представляет собой двухфазную систему (кристаллы — расплав). Поэтому легкоплавкие соединения, или эвтектики, присутствующие в металле шва, могут стать причиной возникновения кристаллизационных трещин.


Общепризнано, что важную роль в появлении кристаллизационных трещин в металле шва при сварке углеродистых и низколегированных сталей выполняет сера. Это объясняется её способностью образовывать легкоплавкие сульфидные эвтектики, которые остаются расплавленными в момент, когда растягивающие напряжения достигают значительной величины. При этом влияние серы зависит от вида и количества легирующих компонентов в металле.

 

Рассмотрим влияние некоторых основных легирующих компонентов на склонность металла шва к образованию кристаллизационных трещин. Большое число экспериментальных данных свидетельствует о том, что в наибольшей мере появлению кристаллизационных трещин способствует повышение концентрации углерода в металле. Объясняют это тем, что повышение содержания углерода в углеродистых и низколегированных сталях приводит к следующим основным изменениям: 1) увеличению степени дендритной неоднородности распределения серы в металле шва; 2) укрупнению сульфидных включений; 3) увеличению числа сульфидных включений; 4) уменьшению количества сульфида марганца в составе неметаллических включений. Однако при низком (0,01 %) содержании серы горячие трещины при сварке углеродистых сталей не образуются даже при высоком (0,6 %) содержании углерода в металле.


При сварке высоколегированных сталей и сплавов углерод может стать непосредственной причиной возникновения кристаллизационных трещин, поскольку в этом случае происходит образование легкоплавких карбидов, которые располагаются по границам зёрен.


Наличие в металле некоторого количества сильных карбидообразующих компонентов (Ti, Nb) может снизить вредное влияние углерода и даже повысить устойчивость металла против образования кристаллизационных трещин за счёт изменения формы сульфидных включений.


В меньшей мере, но все же довольно заметно на процесс возникновения кристаллизационных трещин влияет и содержание кремния в металле. Обычно склонность металла к образованию кристаллизационных трещин увеличивается при концентрации кремния в металле более 0,5 %. Это подтверждается и данными по сварке трансформаторной стали, в которой содержание Si достигает 2,88 %, а содержание углерода — всего 0,078 %.


Следует отметить, что в большей мере кремний способствует возникновению кристаллизационных трещин при сварке аустенитных хромоникелевых сталей. Возрастает склонность металла шва к образованию кристаллизационных трещин и при наличии в металле фосфора.


К наиболее распространённым элементам, которые снижают опасность образования кристаллизационных трещин, относятся кислород, марганец и хром. Положительное влияние кислорода обычно объясняют возникновением в металле окси-сульфидных неметаллических включений, что уменьшает образование сетки сульфидов железа. Кстати, именно с уменьшением содержания кислорода в металле при введении в него углерода и кремния связывают некоторые авторы вредное влияние последних на образование кристаллизационных трещин. Однако с этих позиций трудно объяснить более сильное влияние углерода на процесс образования кристаллизационных трещин, так как при температуре их появления раскисляющая способность Si выше, чем углерода.


Влияние Мп и Сг обычно связывают с образованием их сульфидов, температура плавления которых выше, чем температура кристаллизации металла сварочной ванны, вследствие чего сульфиды Мп и Сг должны находиться в твёрдом состоянии. При этом, чем выше содержание марганца в металле, тем больше его во включениях и тем они более тугоплавкие и меньше по размеру.


В случае легирования металла хромом стойкость металла шва против образования трещин повышается лишь до определённой его концентрации. Если содержание хрома станет выше этой концентрации, то начинает сказываться влияние карбосульфидных и карбидных фаз, которые, располагаясь в виде цепочек по границам кристаллитов, создают условия для образования кристаллизационных трещин.

 

Экспериментальные исследования позволили установить, что химическое сродство марганца к сере возрастает с понижением температуры. Поэтому при сварке многослойных швов, когда предыдущие слои подвергаются повторному нагреву, количество MnS должно возрасти.


В сварных швах на стали при соотношении Mn/'S = 4 -н 6 кристаллизационные трещины обычно не образуются.


Устранить вредное влияние серы переводом её в тугоплавкие сульфиды можно также за счёт легирования металла редкоземельными элементами, а также Ti, Zr, Са, AI и некоторыми другими элементами.


Значительное влияние на образование кристаллизационных трещин может оказать структура металла. Известно, что с измельчением кристаллов при одинаковой толщине жидких прослоек пластичность двухфазных систем возрастает по гиперболическому закону. Кроме того, измельчение первичной структуры металла шва способствует уменьшению степени химической неоднородности. При сварке вероятность появления кристаллизационных трещин увеличивается с ростом величины зёрен основного металла, которые могут стать центрами образования кристаллов в сварочной ванне.

 

На появление трещин в металле шва влияет форма сварочной ванны, от которой зависит скорость процесса кристаллизации металла, а также напряжённое состояние металла шва. Как было показано в работе [319], в случае, если сварочная ванна имеет форму, близкую к форме падающей капли, в её хвостовой части возникают высокие растягивающие напряжения, что облегчает образование трещин.


От формы шва зависит и критическое содержание углерода и кремния в металле, при котором образуются кристаллизационные трещины. Оптимальное значение коэффициента формы шва, представляющее собой отношение ширины шва к глубине проявления, близко к 6,0.

Для углеродистых и низколегированных сталей связь между химическим составом металла шва, его формой и склонностью шва к образованию в нем кристаллизационных трещин, характеризуемая показателем #т, может быть выражена следующей зависимостью:


Ят = С + 0.75S — 0,03Мп — 0,07фш, где С, S, Мп — содержание данных элементов в металле шва, % (по массе); ч|)ш — коэффициент формы шва.


Предложенная формула справедлива для следующих интервалов содержания компонентов: [С] = 0,11 0,20 %; [Мп] — = 0,4 -ь 1,5 %; [S] = 0,015 Ч- 0,06 % и для фш, изменяющегося в пределах от 0,9 до 2,2. Согласно данным работы [343], кристаллизационные трещины в шве отсутствуют, если Нт < < 0,05.


Поскольку образование кристаллизационных трещин связано с наличием на границах зёрен жидких сульфидных прослоек, важную роль в образовании последних должны играть сегрегационные процессы, так как сера является компонентом, склонным к ликвации.


Итак, образование кристаллизационных трещин зависит от величины растягивающих напряжений, от содержания серы в металле шва, а также от его химического состава, размеров кристаллов, формы шва, сегрегационных явлений.


Поскольку формирование шва было рассмотрено ранее, ограничимся изучением процессов кристаллизации и сегрегации серы в металле шва. Однако, прежде чем перейти к рассмотрению этих процессов, исследуем механизм влияния сульфидов на образование кристаллизационных трещин, который до настоящего времени не совсем ясен. Действительно, если влияние сульфидов ограничивается только малой прочностью жидких прослоек, то тогда и силикатные прослойки, которые также имеют низкую температуру плавления и присутствуют в металле шва, должны стать причиной образования трещин. Между тем на практике это не наблюдается. Поэтому в первую очередь попытаемся раскрыть механизм влияния сульфидов, а точнее сульфида железа, который наиболее ответствен за появление кристаллизационных трещин в металле шва.