Трещины сварных соединений

Надежность, работоспособность и экономичность сварных конструкций во многом зависят от качества сварных соединений, наличия в них дефектов. При решении важного вопроса о допустимости обнаруженных дефектов следует учитывать следующие важные факторы;

• конструктивные особенности, размеры и форму самой конструкции и ее сварных узлов;
• напряженное состояние, возникшее в результате ее изготовления, а также после термической обработки;
• характер дефектов, их количество и расположение;
• условия эксплуатации конструкции и т. д.

Дефекты сварных соединений можно классифицировать

• по месту их расположения,
• причинам образования,
• по конфигурации и размерам.

Образование трещин, пор, шлаковых включений во многом определяется химическим составом используемых сварочных материалов и технологией сварки, а непроваров, подрезов, наплывов, прожогов - нарушением технологического процесса, неисправностью оборудования, низкой культурой производства.

Дефекты типа макро- или микротрещин можно разделить на следующие группы в зависимости от температурного интервала их образования:

1. горячие, возникающие в процессе охлаждения при высоких температурах, соответствующих приблизительно интервалу от температуры выше точки солидуса до 1000°С;
2. горячие, образующиеся в интервале температур 1000...600°С;
3. образующиеся после сварки в результате отпуска сварных соединений;
4. холодные, которые появляются по окончании сварки при температурах ниже 250...200°С;
5. ламелярные, возникающие в ЗТВ сварного соединения. Они могут зарождаться при повышенных температурах и распространяться в холодном состоянии. 

Горячие трещины.

Они образуются, когда в процессе охлаждения деформация металла превышает его способность деформироваться. По мере охлаждения металла изменяются его пластичность и темп деформации. Степень деформации металла в температурном интервале хрупкости (ТИХ) зависит от температурного коэффициента линейного расширения, жесткости свариваемого изделия и режима сварки.

Присутствующие в жидком металле сварочной ванны легирующие элементы и примеси (углерод, сера, бор и др.), имеющие небольшой коэффициент распределения, накапливаясь между растущими ячейками (дендритами), вызывают значительное снижение температуры затвердевания участков жидкого металла, расположенного между ячейками, и способствуют расширению двухфазной области - температурного интервала кристаллизации (ТИК). В связи с этим возрастает различие в механических свойствах (пластичности и прочности) прослойки металла между ячейками, затвердевающей при более низкой температуре по сравнению с ранее закристаллизовавшимися осями ячеек.

При охлаждении металла в результате усадки растет величина деформации и ее концентрация в прослойках металла, имеющих более низкую температуру затвердевания, а следовательно, прочность и пластичность. Исчерпание пластичности приводит к образованию трещин, когда деформационная способность металла будет меньше, чем деформация, вызываемая усадкой.

Пластические свойства металла будут тем выше, чем меньше ТИК, поскольку уменьшается различие в механических свойствах осей кристаллитов и их границ. Термический цикл сварки оказывает влияние на характер первичной кристаллизации, размер кристаллитов и степень химической неоднородности по сечению кристаллитов, направление роста кристаллитов, форму и размеры сварочной ванны. С увеличением размеров кристаллитов повышаются степень химической неоднородности по их сечению и склонность металла к образованию горячих трещин по границам кристаллитов. При узкой и глубокой сварочной ванне, когда рост кристаллов происходит с противоположных кромок навстречу друг другу, в результате накопления легирующих элементов и примесей перед фронтом кристаллизации, вызывающих снижение температуры затвердевания, возрастает опасность появления трещин в средней части шва. Таким образом, на стойкость металла против образования кристаллизационных трещин оказывают влияние форма провара, коэффициент формы шва.

Металлургические и технологические рекомендации по повышению стойкости металла шва против их образования в основном совпадают. Металлургические рекомендации сводятся к использованию сварочных материалов с низким содержанием вредных примесей (серы, фосфора) и поверхностно-активных (олова, сурьмы). При наличии серы необходимо связывать ее в тугоплавкие сульфиды марганца и редкоземельных элементов (церия, иттрия и др.). Технологические рекомендации заключаются в использовании способов и режимов сварки, позволяющих получать оптимальную форму сварочной ванны, обеспечивать измельчение первичной структуры, которое способствует уменьшению степени химической неоднородности и ТИК, а также повышению деформационной способности затвердевающего металла, которую можно регулировать изменением параметров режима сварки, жесткости конструкций и в некоторых случаях - за счет предварительного подогрева.

Горячие трещины в ЗТВ. В температурном интервале примерно 1400...1000ºС в ЗТВ наблюдаются интенсивный рост зерна и миграция границ зерен. Накопление на границах зерен легирующих элементов и примесей способствует образованию горячих трещин.

Стойкость ЗТВ против появления горячих трещи во многом определяется чистотой конструкционной стали, содержанием в ней неметаллических включений (например, сульфидов). Высокая температура нагрева ЗТВ вызывает оплавление таких включений, расположенных как внутри зерен, так и по их границам. При охлаждении в ЗТВ в результате нарастания временных напряжений могут возникать условия, способствующие образованию горячих трещин.

Оценка стойкости сварных соединений против возникновения горячих трещин. Сущность методов испытаний на горячие трещины состоит в высокотемпературной деформации металла в процессе сварки под воздействием внешних сил, создаваемых испытательной машиной (машинные методы испытания), или под воздействием внутренних сил от усадки шва (технологические методы испытания). Из числа машинных методов следует отметить: ЛТП-1-6, «Веренстрейнт», «Трансверенстрейнт», метод принудительного деформирования металла шва и др.

Для качественной оценки стойкости металла шва против образования горячих трещин используют технологические методы испытания пробы, которые представляют собой типовые сварные соединения (узлы, конструкции), технология сварки которых обусловливает повышенное значение темпа высокотемпературных деформаций, приводящих к появлению трещин.

Для исследования склонности ЗТВ к образованию горячих трещин или определения ТИХ металла может быть использован метод моделирования термодеформационных циклов металла ЗТВ. Такие испытания могут осуществляться на установках ИМЕТ, «Терморестор», системы «Глибл».

Горячие трещины, образующиеся в интервале температур в низкотемпературном интервале хрупкости (НТИХ) (600...1000ºС), встречаются в многослойных швах в ЗТВ, создаваемой в предыдущем слое при наложении последующего слоя, в ЗТВ основного металла, подвергающейся повторным нагревам при многослойной сварке, в сварных соединениях конструкций при их термической обработке. Одна из основных причин образования горячих трещин в НТИХ - это сегрегация примесей на границах зерен в результате повторного нагрева.

В качестве мер повышения стойкости металла против образования трещин в НТИХ рекомендуются: уменьшение содержания серы и кислорода в металле, измельчение структуры металла шва и ЗТВ, повышение скорости деформации, уменьшение времени пребывания металла в этом интервале и удельной энергии и др.

Трещины отпуска. При термической обработке сварных изделий из низколегированных сталей, а также из никелевых, аустенитных хромоникелевых сталей, предпринимаемой для снижения уровня остаточных напряжений, трещины зарождаются в низкотемпературном интервале (200...300ºС) при нагреве сварного изделия до температуры отпуска и при температурах отпуска. Причиной появления трещин первого вида может быть высокая скорость нагрева изделия. Термические напряжения высокого уровня, взаимодействуя с остаточными напряжениями, могут вызвать образование микротрещин, рост которых продолжается при дальнейшей нагреве. Дефекты сварных соединений (горячие, холодные трещины), возникшие в результате сварки, могут значительно увеличиться при повторном нагреве изделия.

Предупредить образование трещин отпуска можно уменьшением скорости нагрева изделия при термической обработке, а также охлаждением после сварки перед посадкой в печь на уровне 150...300ºС.

При уменьшении скорости охлаждения чувствительность стали к образованию трещин отпуска увеличивается. Трещины отпуска, возникающие при более высоких температурах, могут быть вызваны выпадением из твердого раствора внутри зерен мелкодисперсных карбидов, которые вызывают их дисперсионное упрочнение. При этом релаксация остаточных напряжений при отпуске должна протекать по механизму ползучести по границам зерен. При исчерпании пластических свойств на границах зерен появляются трещины.

Неблагоприятное влияние оказывает присутствие в стали поверхностно-активных элементов, а также некоторых легирующих элементов (хрома, молибдена, ванадия).

Холодные трещины. Они являются типичными дефектами сварных соединений из среднелегированных высокопрочных сталей перлитного и мартенситного классов и наиболее часто поражают околошовную зону.

Продольные трещины, расположенные в ЗТВ, называют отколами. Если они возникли в зоне сплавления со стороны шва, то их называют отрывами. Поперечные и продольные могут переходить из ЗТВ в шов. Они могут выходить или не выходить на поверхность сварного соединения (наружные или внутренние).

Стойкость сварных соединений против появления холодных трещин определяется структурой металла, содержанием в нем водорода, уровнем напряжений первого рода, а также присутствием в металле малых количеств (следов) таких примесей, как сера, фосфор, свинец, олово и др., которые могут вызвать на границах зерен образование горячих трещин или микронадрывов, развивающихся в процессе охлаждения в холодные трещины.

На стойкость металла против образования холодных трещин значительное влияние оказывает наличие локальных пиковых микронапряжений, возникающих в свежезакаленном мартенсите в результате фазовых превращений. С этих позиций важное значение приобретает кинетика фазовых превращений в ЗТВ, которая определяется составом металла шва и температурным интервалом фазовых превращений. При нагружении сварного соединения внешней нагрузкой повышается уровень напряжений в областях, в которых локальные микронапряжения совпадают по направлению с внешней нагрузкой. В таких местах микротечения создаются даже при низких значениях внешней нагрузки. Если остаточные микронапряжения малы, то для протекания микродеформаций необходимы большие внешние напряжения.

В результате микропластической деформации протекает релаксация локальных микронапряжений. В случае достаточной подвижности дислокаций (обусловленной пониженным содержанием углерода или повышенной температурой металла при нагружении) реализуется путь, приводящий к более однородному распределению остаточных микронапряжений под нагрузкой. Таким же путем, очевидно, протекает релаксация микронапряжений при отдыхе закаленной стали, приводящая к уменьшению локальных пиков напряжений, в результате чего повышается стойкость стали против замедленного разрушения. В условиях ограниченной подвижности дислокаций (из-за повышенного содержания углерода или низкой температуры металла при нагружении) релаксация происходит за счет образования дефектов (микротрещин), которые при последующем нагружен и и служат концентраторами напряжений и повышают опасность хрупкого разрушения.

В местах локальных микронапряжений могут возникать области объемного расширения кристаллической решетки - ловушки для водорода, что обусловливает неоднородное его распределение. Водород в свежезакаленном мартенсите располагается в основном у вершин крупных мартенситных игл и на границах зерен, а после отдыха распределяется более равномерно как на границах, так и внутри зерен. Повышение содержания водорода в свежезакаленном мартенсите и накопление его в областях объемного расширения могут понизить стойкость стали против замедленного разрушения.

Химический состав металла шва оказывает большое влияние на стойкость металла ЗТВ против замедленного разрушения. Основным фактором, влияющим на стойкость ЗТВ сварных соединений против замедленного разрушения, являются временные напряжения, которые образуются в металле шва и ЗТВ в результате их усадки в процессе охлаждения. Взаимодействие временных напряжений с напряжениями, вызванными фазовыми превращениями, способствует релаксации микронапряжений путем микроскопических сдвигов. Более высокий уровень временных напряжений в металле шва и ЗТВ при сварке аустанитными проволоками по сравнению с ферритноперлитными обусловливает более высокую стойкость ЗТВ сварных соединений из бейнитных и мартенситных сталей против замедленного разрушения.

Стойкость ЗТВ против замедленного и хрупкого разрушения зависит от скорости охлаждения сварных соединений. При ее повышении в ЗТВ образуются более напряженные структуры с ограниченной релаксацией микронапряжений путем микропластических сдвигов.

Наиболее простой и эффективный способ предотвращения холодных трещин - регулирование термического цикла сварки, а также использование в необходимых случаях предварительного подогрева. Оптимальные термические циклы сварки толстого металла с предварительным подогревом можно получить при использовании двух- или многодуговой сварки.

Испытания на склонность к образованию холодных трещин можно разделить на следующие группы:

1) предусматривающие использование реального процесса сварки жестких образцов (испытания с помощью проб «Теккен», STS, крестовой, RRC с принудительной жесткостью и др.);

2) механические с использованием установок ЛТП-2, ЛТП2-3, метода «Имплант»;

3) с имитированным термодеформационным циклом сварки на база установок «Терморестор», «Глибл», ЛТПЗ-6 и др. 

Ламелярные трещины. Очагами возникновения ламелярных трещин преимущественно в ЗТВ или в основном металле при его нагружении в направлении, перпендикулярном толщине листа (по оси z), можно считать находяшиеся в значительном количестве и неравномерно распределенные неметаллические включения в стали, которые располагаются слоями по толщине проката. Ламелярное разрушение чаще всего возникает при сварке конструкций из листов значительной'толщины из конструкционных и аустенитных сталей. В аустенитных сталях очагами образования трещин (расслоений) могут быть строчки (прослойки) по толщине листа из карбидов и оксидов.

Эти трещины относятся к дефектам типа холодных трещин, хотя их образование может быть связано с процессами, протекающими в высокотемпературной области ЗТВ. Наиболее эффективная мера предупреждения образования ламелярных трещин - выбор стали с хорошими пластическими свойствами в направлении оси z.

При сварке сталей, склонных к образованию ламелярных трещин, в ряде случаев применяют предварительную облицовку кромок перед сваркой. Важное условие для предупреждения возникновения ламелярных трещин- выбор рациональной конструкции сварных узлов с целью уменьшения уровня напряжения по толщине.

Ультразвуковой контроль позволяет определить скопление включений, являющихся потенциальными источниками образования трещин при сварке. Наиболее часто проводят оценку пластических свойств листов в направлении толщины. Критерий оценки при использовании такого метода испытания - величина поперечного сужения. Пластичность ответственных конструкций должна быть не менее 30 %.

Отмеченные закономерности возникновения трещин при сварке и термической обработке позволяют трактовать их с общих позиций металловедения и прочности как проявление хрупкого разрушения в условиях релаксации (ползучести). Они возникают, когда запас пластичности при межзеренном разрушении соответствующего участка сварного соединения оказывается меньше деформации ползучести, накопленной в процессе сварки (горячие трещины), выдержки после нее (холодные трещины) или во время отпуска (трешины при термической обработке). Физические закономерности процесса образования и развития трещин на микроструктурном уровне могут быть различными для каждого вида разрушения, однако их общие признаки позволяют использовать единые феноменологические подходы, разработанные для условий межзеренного разрушения при ползучести.