Холодні тріщини

Холодні тріщини є найнебезпечнішим дефектом зварних з’єднаннь з ви-сокоміцних сталей. Вони утворюються при температурах нижче 300° С у нап-руженому мартенситі. У низьковуглецевих низьколегованих високоміцних ста-лях мартенсит порівняно пластичний, тому імовірність утворення холодних трі-щин у цьому випадку менше, ніж у середньовуглецевої сталі. Незважаючи на це при зварюванні низьковуглецевих високоміцних сталей доводиться приймати в ряді випадків спеціальні міри ,щоб запобігти виникнення холодних тріщин.

Більшість авторів зв'язує утворення тріщин з наявністю водню у металі шва. Водень дифундує зі зварювальної ванни в метал околошовної зони. Однак при відсутності водню також спостерігається утворення холодних тріщин. Тому деякі дослідники вважають, що утворення холодних тріщин пов'язане із проце-сом мартенситного перетворення.

Холодні тріщини, спостережувані у зварних з'єднаннях, можна класифі-кувати наступним способом (рис.24).

 

 

Рисунок 24 –- Основні типи холодних тріщин у зварному з'єднанні:

1 – підваликова; 2 - перехідна; 3 - поперечна; 4 - від надрізу

 

Тип 1 - підваликові тріщини. Вони утворюються в зоні термічного впливу на ділянці "крупного зерна". На цій ділянці температура при зварюванні най-більш висока й аустенітні зерна виростають до найбільших розмірів.Такі трі-щини спостерігаються, якщо феритний наплавлений метал містить водень

Тип 2 - поперечні тріщини розвиваються в напрямку перпендикулярному ізотермам. Початок їхнього утворення - у зоні термічного впливу на ділянці грубозернистого мартенситу. Ці тріщини часто поширюються в наплавленому й основному металі. Вони утворюються навіть при відсутності водню, хоча во-день сприяє їхньому зародженню.

Тип 3 - тріщини від надрізу утворюються на вільній поверхні зони терміч-ного впливу біля металу шва, на ділянці з різко вираженим ефектом надрізу. Початок тріщини може перебувати в області багатоосних напружень, що роз-тягують, особливо в зоні великих мартенситних зерен. Ці тріщини можуть утво-ритися при незначному вмісту водню.

Тип 4 - перехідні тріщини, утворюються при зварюванні аустенітними електродами. Вони зароджуються в мартенситної зоні наплавленого металла, біля линії сплав­лення.

Всі чотири типи тріщин найчастіше зароджуються й розвиваються в зоні грубозернистого мартенситу, що утворюється в процесі охолодження аустеніта від максимальної температури. Поперечні тріщини (тип 3) спостерігаються в багатошарових зварних швах.

Розроблені різні методи випробування на утворення тріщин у зварних з'єднаннях з низьколегованих високоміцних сталей з урахуванням особливостей типу з'єднань, методу зварювання й кількості шарів наплавленого металу.

Основними показниками зварюваності низьовуглецевих бейнітно- мар-тенситних сталей є опірність зварних з'єднань холодным тріщинам і крихкому руйнуванню й механічні властивості зони термічного впливу, які насамперед пов'язані з фазовими перетвореннями й структурними змінами , що виникають в сталі при зварюванні. Структурні зміни в сталі при впливі термічного зварю-вального циклу оцінюють по термокинетичним діаграмам безперервного роз-паду аустеніту.

Наприклад, перетворення аустеніту сталі 12ГН2МФАЮ (рис. 7.4) при швидкості охолодження в інтервалі 600...500°С w_6/5 = 75...1,6°С/с відбувається в мартенситній і бейнитній областях. Феритне й перлітне перетворення від- сутствуют. При w_6/5 = 75 °С/с мартенситне перетворення починається при 450°С и закінчується при 270°С, твердість мартенситу HV380. Зі зменьшенням швидкості охолодження кількість мартенситної складової зменшується. При

w _6/5 = 1,6 °С/с відбувається повністю бейнітне перетворення в інтервалі темпе-ратур 635 ... 465 °С твердість HV 205.

Рисунок 7.4 –- Термічна діаграма розпаду аустеніту сталі 12ГН2МФАЮ.

Цифри в кружках означають твердість (HV): А - аустеніт; Б - бейніт;

М- мартенсит

Низьковуглецеві бейнітно- мартенситні сталі мають обмежений вміст С, Nі, Sі, S і Р. Тому при дотриманні режимів зварювання й правильному застосу-ванні присадочних матеріалів гарячі тріщини відсутні.

Найпоширенішим і небезпечним дефектом зварних з'єднань сталей є хо-лодні тріщини в зоні термічного впливу й металі шва, що виникають у загарто-ваній структурі під впливом водню й зварювальних напружень.

Висока опірність зварних з'єднань низьковуглецевих легованих сталей ут-воренню тріщин забезпечується у випадку, коли вміст дифузійного водню в наплавленому металі не перевищує 3,5...4,0 мл/100 г. Більш висока концент-ра-ція водню приводить до зниження опірності з'єднань утворенню холодних трі-щин. Для запобігання утворення холодних тріщин у цих сталях необхідні обме-ження допускаємих швидкостей охолодження. Наприклад, діапазон швидкос-тей охолодження, що допускаються, зони термічного впливу для сталей 14Х2ГМРБ і 12ГН2МФАЮ w _6/5 = 13...18°С/с, а для 12ХГН2МФБДАЮ

w _6/5 = 4...6°С/с. Для запобігання утворення холодних тріщин при зварюванні з'єднань великої товщіни необхідно застосовувати попередній підігрів. Як пра-вило, він призначається при зварюванні металу товщиною понад 20 мм. Тем-пература підігріву 8O...100°С. При зварюванні металу товщиною понад 40 мм температура підігріву 100...150°С. При температурі навколишнього повітря нижче 0°С необхідний попередній підігрів кромок, що зварюються, до 100 ... 120°С для металу товщиною менш 30 мм і 130 ... 150 °С для металу більшої товщини. Підігрів зварних з’єднань найбільш ефективний, якщо його здійс-нювати рівномірно по всій довжині шва із двох сторін від оброблення крайок на ширину не менш 100 мм.

Критеріями при визначенні діапазону режимів зварювання й температур попереднього підігріву служать припустимі максимальна й мінімальна швид-кості охолодження металу околошовної зони. Максимально припустимі швид-кості охолодження сталей приймаються таким чином, щоб запобігти утворення холодних тріщин у металі околошовної зони. Величину цієї швидкості охолод-ження визначають експериментальним шляхом за результатами випробувань технологічних проб або ж розрахунковим шляхом.

Для запобігання несприятливої зміни структури й зниження ударної в'яз-кості металу зони перегріву необхідно обмежувати мінімальну швидкість охо-лодження. Надмірно високі погонні енергії зварювання приводять до утворен-ня в лінії сплавлення крупнозернистих структур з низькими показниками удар-ної в'язкості. Крім тoгo, тривале перебування окремих зон основного металу при температурах, що перевищують температуру відпуска сталі, може сприяти розміцненню металу. При зварюванні бейнітно- мартенситних сталей швид-кість охолодження доцільно регулювати, змінюючи як погонну енергію, так і температуру попереднього або супутнього підігріву з'єднань. Підігрів сповіль-нює швидкість остигання при температvpі нижче 300°С и сприяє більш повно-му видаленню водню з наплавленого металу. При цьому зростає стійкість з'єд-нань проти утворення холодних тріщин. Збільшення погонної енергії продов-жує находження металу в області високих температур, що погіршує його ме-ханічні властивості. Тому найкраще сполучення механічних властивостей з'єднань і їхньої стійкості проти тріщин досягається при використанні оптима-льних режимів зварювання й температур попереднього й наступного підігріву.

При зварюванні з'єднань товщиною менш 20 мм швидкість охолодження метала околошовної зони необхідно регулювати в основному зміною погонної енергії зварювання, при товщині понад 20 мм - погонної енергії зварювання й температури попереднього й наступного підігріву в інтервалі 50 ...150°С.

Стійкість зварених з'єднань проти утворення холодних тріщин може бути також підвищена застосуванням технології зварювання з "м'якими прошарка-ми", при якій перші шари багатошарового шва виконують менш міцним і більш пластичним металом у порівнянні з наступними шарами. В окремих випадках ("жорсткіі" з'єднання великої товщини) неміцні пластичні шви в один-два шарів виконують і в процесі заповнення оброблення крайок.

Ламелярні тріщини можуть виникати в зоні зварного з'єднання, коли метал піддається навантаженню в напрямку, перпендикулярному до площини прокату. Такі тріщини з'являються, переважно, на границі зони термічного впливу або в основному металі при зварюванні таврових і кутових з'єднань із листового прокату підвищеної товщини (рис. 68).

Рисунок 68 – Місця появи ламелярних тріщин

Тріщини мають східчасту (каскадну) форму й у більшості випадків розташовуються паралельно поверхні листа. Утворенню ламелярних тріщин сприяють мала пластичність металу в напрямку товщини листа (по осі Z) і дія в цьому напрямку значних розтягуючих напружень, викликаних конструктивною жорсткістю зварного вузла й виникаючої при зварюванні усадочної сили. Найбільшою чутливістю до ламелярному розтріскування володіють сталі, що характеризуються найменшим відносним звуженням при розтяганні в напрямку товщини

В кутових і стикових швах із листового прокату δ >12 мм можливе утво-рення ламілярних тріщин (наявність у металі витягнутих плоских неметалевих включень типу сульфідів і силікатів), які при наявності напруження віддаляю-ться від металевої матриці внаслідок їх слабкого зціплення (рис.2).

Ці тріщини розповсюджуються в основному металі і направлені парале-льно границі сплавлення і викликають зруйнування типу відриву. Поверхня зламу тріщини – шарувата. Ці тріщини утворюються при Т = 350 - 400⁰С.

Рисунок 2 - Типові холодні тріщини у зварних з'єднань високоміцних сталей:1 - поздовжні в зоні термічного впливу (а - відколи, б - кореневі,

в – підваликові, г - шарувате розтріскування або ламелярні);

2 - поперечні в зоні термічного впливу; 3 - поздовжні у шві

(а - кореневі, б - поверхневі); 4 - поперечні у шві

.

Додатковою ознакою більшої схильності сталі до утворення ламелярних тріщин є високий вміст сірки, а також хімічна неоднорідність металу по товщи-ні прокату (табл. 34).

Таблиця 34 Вплив відносного звуження й вмісту сірки на схильність сталі до утворення ламелярних тріщин при дуговому зварюванні

Качественная оценка стали на склонность	Относительное сужение в направлении толщины проката , %	Содержание серы, %
к ламелярным трещинам	среднее зна-чение из трех испытаний		минимально допу-стимое единичное значение
Высокая				>0,02
Средняя				<0,010
Низкая				<0,007

 

Очевидно, що використання сталей з високою схильністю до ламелярно-му руйнуванню можливо лише у випадку практичної відсутності зварювальних напружень, що діють у напрямку товщини листа, наприклад при зварюванні стикових з'єднань малої товщини. При проектуванні й виготовленні конструк-цій із сталей підвищеної й високої міцності з тавровими й кутовими зварними з'єднаннями необхідно застосовувати метал з можливо низькою схильністю до утворення ламелярних тріщин, при цьому необхідно передбачати конструктив-ні й технологічні заходи щодо зниження напружень і деформацій, що розвива-ються при зварюванні в напрямках товщини листа.

Імовірність утворення ламелярниых тріщин може бути знижена, нап рик-лад, шляхом зменшення об’єму розплавленого металу (перетину шва) за раху-нок зменшення кута оброблення кромок і катета шва, а також шляхом застосу-вання раціональних типів і форм зварних з'єднань (рис. 69). Можливо введен-ня вставок у конструкцію зварного вузла із прокату з більшою стійкістю проти ламелярного розтріскування або використання різного виду накладок, що спри-ймають розтягувальні зусилля.

 

Рисунок 69 - Зміна конструкції зварного з'єднання (показано стрілками), спрямоване на зниження ризику ламелярного розтріскування

З технологічних заходів, спрямованих на підвищення стійкості зварних з'єднань до ламелярному руйнуванню, можна відзначити наступні: попереднє нагрівання металу в зоні зварювання (температуру (рис. 70) установлюють із урахуванням вмісту сірки в сталі); високотемпературна прокалка електродів з основним покриттям; застосування електродів, забезпечуючих одержання ме-талу шва з максимально високими пластичними характеристиками; попереднє наплавлення на поверхню прокату в місці зварювання проміжного шару металу товщиною 5...8 мм, що має більш високу пластичність і низьку границю теку-чості в порівнянні із цими показниками основного металу (рис. 71, а); раціона-льна черговість накладення валиків і шарів зварного шва, що дозволяє сформу-вати буферний шар (рис. 71, б).

 

Рисунок 70 – Приблизна залежність температури підігріву Т, що знижує схильність до ламелярному розтріскуванню, від вмісту сірки в сталі

Рисунок 71– Технологічні прийоми зварювання, що знижують схильність до утворення ламелярних тріщин: а - попереднє наплавлення спеціального пластичного шару; б - раціональна черговість накладення валиків (цифрами показаний порядок накладення валиків буферного шару)

Ризик утворення ламелярних тріщин при виготовленні, монтажі й ремон-ті зварних конструкцій, коли є таврові й кутові з'єднання, існує завжди. Він зро-стає при зварюванні сталей підвищеної й високої міцності товщиною більше

20-25 мм, особливо сталей, що відрізняються хімічною і структурною неодно-рідністю. Поява ламелярних тріщин тим більш небезпечно в конструкціях, що працюють в умовах динамічних навантажень або низьких температур.