12.7. Природа образования горячих трещин при сварке

Горячими трещинами называются хрупкие межкристаллитные разрушения сварного шва или околошовной зоны, возникающие в области температурного интервала хрупкости в результате воздействия термодеформационного сварочного цикла. Горячие трещины чаще всего возникают в сплавах, обладающих выра­женным крупнокристаллическим строением, с повышенной ло­кальной концентрацией легкоплавких фаз. Согласно общеприня­тым представлениям, они возникают в том случае, если интен­сивность нарастания деформаций в металле сварного соединения в период остывания приводит к деформациям большим, чем его пластичность в данных температурных условиях. Способность сварного соединения воспринимать без разрушения деформации, вызванные термодеформационным циклом сварки, определяет уровень его технологической прочности.

В МВТУ им. Н. Э. Баумана Н. Н. Прохоровым была разработана теория технологической прочности металлов при сварке, согласно которой сопротивляемость сварного соединения образованию го­рячих трещин определяется тремя основными факторами: плас­тичностью металла в температурном интервале хрупкости, значе­нием этого интервала и характером нарастания деформации при охлаждении (темпом деформации сварного соединения).

Графически эти представления наглядно могут быть про­иллюстрированы графиками, представленными на рис. 12.43. Кривые пластичности П характеризуют изменение пластичности сварного соединения в т.и.х., а кривые е — интенсивность нарас­тания деформаций в сварном соединении в процессе остывания или темп деформации

Н а рис. 12.43,а показано влияние величины минимальной пластичности в т.и.х. на сопротивляемость сварного соединения образованию горячих трещин. При этом принято, что деформа­ционная способность сплава в т.и.х. определяется его пластич­ностью, так как при температурах в области Т_с упругой деформа­цией можно пренебречь ввиду ее незначительности. При тех же значениях т.и.х. и темпа деформации сплав, обладающий

большей пластичностью — П₃, трещины не даст, так как возника­ющий темп деформации (кривая е) недостаточен для исчерпания его пластичности.

У сплава, пластичность которого характеризуется кривой 2, в момент, определяемый точкой А, значения пластичности и воз­никающей деформации равны — кривые касаются. Это критический случай. В сплаве, обладающем пластичностью в т.и.х., харак­теризуемой кривой 1, при том же темпе деформации е и температу­ре, соответствующей точке Б, про­изойдет исчерпание пластических свойств и образуется трещина. Таким образом, чем больше плас­тичность сплава в т.и.х., тем при равных прочих условиях меньше вероятность образования горячих трещин.

Значение пластичности П и ха­рактер ее изменения в т.и.х. за­висят от химического состава сплава, схемы кристаллизации сварного шва, развития химиче­ской и физической неоднородности и других факторов, значение и степень влияния которых сущест­венно зависят от методов, прие­мов сварки, применяемых режи­мов и т. д.

На рис. 12.43, б представлен случай, когда сплавы при одина­ковой минимальной пластичности отличаются протяженностью тем­пературного интервала хрупкости. При этом принято, что характер изменения пластичности в т.и.х. у всех трех рассматриваемых спла­вов одинаков и пластичность оста­ется практически неизменной на всем протяжении т.и.х.

В этом случае чем больше про­тяженность температурного ин­тервала хрупкости, тем больше ве­роятность возникновения трещи­ны. Значение т.и.х., так же как и значение минимальной пластич­ности, зависит от многих факто­ ров, поддающихся управлению,

главные из которых — химический состав свариваемых материа­лов и применяемых присадочных проволок, покрытия электродов, флюсы, режим сварки, определяющий форму шва, схему кри­сталлизации, и процессы структурообразования в шве и околошовной зоне, размер зерна, характер и интенсивность протекания ликвационных и сегрегационных процессов и др.

На рис. 12.43, в рассмотрено влияние темпа деформации

при одинаковых значениях П и т.и.х. В сварном шве, при кристал­лизации которого возникает темп де­формации е, характеризуемый кри­вой 1, при температуре Т₁ появится трещина, так как в этот момент зна­чение деформации превысит пластич­ность соединения в т.и.х. Для соеди­нения, темп деформации которого обозначен кривой 2, точка касания при температуре Т₂ будет крити­ческой.

С плав, характеризуемый кривой 3, трещины не образует; более того, он имеет еще и некоторый запас пластичности . Таким образом, чем меньше темп деформации в т.и.х., тем меньше вероятность образования горячих трещин. Темп дефор­мации, характеризуемый наклоном кривой е к оси температур и кривизной самой кривой, зависит от усадки сплава и деформаций, развивающихся в околошовной зоне. Следует иметь в виду, что деформация в сварном шве, обусловленная кристаллизационными и структурными процессами при остывании, распределяется по се­чению весьма неравномерно: участки шва с более высокими тем­пературами и вследствие этого менее прочные деформируются больше, чем участки, прилегающие к зоне сплавления и охлаждаю­щиеся более интенсивно. Такое неравномерное распределение деформаций в сварном шве и т.и.х. иногда называют концентра­цией деформаций.

Для равновесных условий кристаллизации акад. А. А. Бочвар связывает вероятность образования горячих трещин с эффектив­ным интервалом кристаллизации Т_ЭФ определяемым как интервал температур, заключенный между температурой образования кристаллического каркаса внутри расплава и температурой соли-дуса. На рис. 12.44 изображен участок бинарной диаграммы со­стояния. По вертикальной оси отложены температура Т, линей­ная усадка сплава ε и критическая скорость , определяющая уровень технологической прочности сплава.

Штриховой линией нанесены температуры образования крис­таллического каркаса. Заштрихованная область соответствует значениям эффективного интервала кристаллизации Т_ЭФ. Из приве­денных кривых видно, что с увеличением Т_ЭФ возрастает линейная усадка ε, а уровень технологической прочности падает.

ВИДЫ ГОРЯЧИХ ТРЕЩИН

По температуре возникновения горячие трещины подразделя­ют на кристаллизационные, возникающие в области температур солидуса, и подсолидусные, температура образования которых ниже температуры окончания процесса затвердевания.

По расположению в сварном соединении различают горячие трещины в шве, в зоне сплавления, в околошовной зоне, а также в зависимости от ориентировки их относительно направления сварки — продольные и поперечные. Во всех случаях вероятность образования трещин определяется соотношением пластических свойств соединений в т.и.х. и темпом деформаций. Однако сте­пень влияния отдельных технологических и металлургических факторов для каждого вида может быть существенно различной в связи с неодинаковыми условиями формирования химической и физической неоднородности в различных зонах сварного соеди­нения. Особо следует выделить трещины повторного нагрева, образующиеся в ранее наложенных валиках при многослойной сварке в результате термодеформационного воздействия от свар­ки последующих слоев.

К ристаллизационные трещины образуются, как правило, в сварном шве и реже в зоне полуоплавленных зерен. На рис. 12.45 представлены характерные места расположения горячих кристал­лизационных трещин в сварном соединении. Подсолидусные тре­щины возникают в интервале температур второго минимума пластичности, расположенного ниже температуры солидуса. Сварной шов вследствие неравновесного процесса кристаллиза­ции пересыщен дефектами кристаллической решетки, в том числе и вакансиями, которые при растяжении активно перемещаются к границам, расположенным перпендикулярно действующим уси­лиям. Такие скопления вакансий сильно ослабляют границы и создают предпосылки для возникновения зародышей разрушения. Необходимые условия для возникновения разрушения — межзе-ренная деформация или проскальзывание, возникающие как следствие воздействия термодеформационного цикла сварки. О наличии такого вида деформации свидетельствуют смещения кристаллизационных слоев на поверхности сварных швов (рис. 12.46). Смещения нередко сопровождаются значительной пластической деформацией в пограничных областях. Если по границам зерен существуют скопления вакансий, микропор, приме­сей, особенно примесей внедрения, поверхностная энергия, необ­ходимая для зарождения трещины, при межзеренном проскаль­зывании уменьшается. В том случае, если граничная диффузия проходит энергично, то полости, образующиеся по границам зе­рен, быстро заполняются и межзеренного разрушения не проис­ходит.

Преимущественные места зарождения подсолидусных тре­щин — ослабленные включениями и несовершенствами строения границы кристаллитов, где межзеренные проскальзывания наиболее выражены; чаще всего это участки, прилегающие к зоне сплавления, и поперечные границы зерен в центре шва. С увеличе­нием размеров зерна увеличивается и проскальзывание, а следо­вательно, и вероятность образования трещин. Добавки в металл легирующих элементов, как правило, увеличивают сопротивление движению вакансий и дислокаций к границам зерен и снижают вероятность образования трещин такого рода.

СПОСОБЫ ОЦЕНКИ СОПРОТИВЛЯЕМОСТИ СПЛАВОВ ОБРАЗОВАНИЮ ГОРЯЧИХ ТРЕЩИН ПРИ СВАРКЕ

Случаи возникновения горячих трещин в процессе изготовле­ния сварных конструкций привели к появлению множества мето­дов оценки сопротивляемости применяемых сварочных материа­лов их образованию. Их можно подразделить на следующие основные группы:

1. Методы, позволяющие получать сравнительную количе­ственную оценку применяемых сварочных материалов. Как пра­вило, эти методы предусматривают принудительное деформиро­вание сварных соединений по заданной программе в процессе их формирования.

2. Технологические пробы различной жесткости. В этом слу­чае величине деформации шва в т. и. х. задается типом опытной свариваемой конструкции, ее размерами, последовательностью вы­полнения швов и т. д.

3. Косвенные методы оценки технологической прочности по результатам механических испытаний образцов, проводимых при нагреве или охлаждении их по заданной программе, имитирую­щей сварочный термический цикл.

Из методов количественной оценки технологической проч­ности наибольшее распространение получил метод МВТУ им. Н. Э. Баумана, основанный на выше рассмотренной теории. Принципиальная сущность его заключается в деформировании испытуемого сварного шва, находящегося в т.и.х., с заданным темпом деформации вплоть до полного исчерпания пластичности. Показателем сопротивляемости образованию горячих трещин служит та максимальная скорость деформации, при которой тре­щина не возникает.

П редположим, что при сварке исследуемых материалов на

установленном режиме обес­печивается термический цикл, изображенный на рис. 12.47. Пластичность сварного шва в т.и.х., ограниченном и , изображена кривой П. Деформация образца, вы­званная его свободной усад­кой и формоизменением , не превышает его ми­нимальную пластичность, т. е.

В этом случае сварной шов будет иметь некоторый запас пластических свойств, определяемый

как

Очевидно, что этот запас пластичности и будет определять степень надежности сварного соединения образования горячих трещин при сварке.

Обозначим

Преобразуя выражение (12.65), получим

В этих выражениях т. е. и

— это темпы деформации, обусловленные усадкой и формоиз­менением, — предельный темп деформации, характеризующий пластичность систем в т.и.х. Значение зависит от схемы крис­таллизации шва, его химического состава и степени химической неоднородности, формы шва, схемы главных напряжений, опре­деляемых в значительной степени способом и режимом сварки.

Значение в основном определяется физическими парамет­рами металла; зависит как от физических свойств металла, так и жесткости конструкции, режима сварки.

Для определения запаса пластичности сварного шва в т.и.х. следует задать сварному соединению, находящемуся в этом интервале температур, некоторый дополнительный темп деформа­ции вплоть до полного исчерпания запаса пластичности и появ­ления трещины, т. е.

Согласно методу МВТУ, этот дополнительный темп деформа­ции задается специальной машиной в виде скорости деформа­ции _. Испытание проводится следующим образом: образцы из ис­пытуемого материала собирают для сварки в захватах испыта­тельной машины так, что один из них закреплен неподвижно, а второй может получать поступательное движение с заранее заданной скоростью . В процессе сварки образцов на заданном режиме, который в процессе испытания всей серии образцов должен поддерживаться постоянным, после достижения устано­вившегося температурного поля автоматически включается меха­низм растяжения. Предположим, что в момент начала растяже­ния в центре шва существовало распределение температур, изо­браженное на рис. 12.47.

Спроектировав на горизонтальную ось (ось времени) темпе­ратурные точки верхней и нижней границы т.и.х., получим дли­тельность нахождения исследуемого участка сварочного шва в хрупком состоянии

Предположим, что пластичность этого участка шва характе­ризуется кривой П. Темп деформации, вызываемый процессами свободной усадки и деформациями формоизменения , меньше, чем предельный, и, следовательно существует определенный запас пластических свойств, которые нужно определить. Задавая дополнительный темп машинной деформации , находят тот пре­дельный, который приводит к исчерпанию запаса пластичности и будет критерием запаса технологической прочности.

Для определения необходимо сварить несколько опытных соединений, испытывая их каждый раз с различной скоростью. Так как согласно условиям испытания режим сварки должен быть постоянным при сравнительном испытании всей серии, то значения и или остаются постоянными.

В этом случае дополнительный темп деформации, задаваемый по времени , будет объективно оценивать запас деформационной способности сварного соединения в т.и.х.

Для проведения испытаний по этой методике применяют спе­циальные машины типа ЛТП, разработанные в лаборатории технологической прочности МВТУ им. Н. Э. Баумана, в ИМЕТе сов­местно с ЦНИИчерметом и в других организациях. Испытания проводят с использованием различных способов сварки и свароч­ных материалов — штучных электродов, сварочной проволоки и флюсов, защитных газов и т. д.

Машины снабжены разнообразными захватами, позволяющи­ми испытывать как различные типы сварных соединений — сты­ковые, тавровые, нахлесточные, так и сварные соединения в раз­личных направлениях — вдоль или поперек направления сварки.

Недостаток этого метода испытания — необходимость применения достаточно сложных и дорогих машин, выпускаемых весь­ма незначительными сериями, а также существенно увеличива­ющуюся сложность испытания при необходимости, например, установить влияние режима сварки или способа сварки на со­противляемость образованию горячих трещин. Объясняется это об­стоятельство тем, что дополнительный темп деформации задается машиной линейно во времени и, следовательно, на­копленное значение деформации в т.и.х. будет зависеть в этом случае от времени пребывания сварного шва в этом интервале температур. Поэтому для выявления влияния режима на техно­логическую прочность при испытании по методике МВТУ необ­ходимо определить термический цикл сварки для каждого из испытуемых режимов и сделать соответствующий пересчет ма­шинной деформации из временной зависимости в темпера­турную

С опротивляемость сварочных материалов образованию тре­щин очень часто оценивают, сваривая специально подобранные технологические пробы или конструкции, имитирующие сварные соединения различной жесткости. При этом предполагается, что проба должна обеспечивать кристаллизационные и деформацион­ные условия в сварном соединении такие же или более жесткие, чем при сварке реальной сварной конструкции.

Технологические пробы можно подразделить на пробы, позво­ляющие получать количественную или качественную оценку тех­нологической прочности металлов. К первому типу относятся пробы, в которых темп деформации регулируется изменением конструктивных параметров. Как правило, пробы такого типа чаще используют при лаборатор­ных исследованиях.

К числу наиболее широко при­меняемых можно отнести пробу Боленрата, заключающуюся в сварке встык пластин, закреплен­ных в жестком приспособлении (рис. 12.48, а). Значение дефор­маций, воспринимаемое швом в процессе кристаллизации, опре­деляется разностью — — . Регулируемая величина —

. Чем больше расстояние l меж­ду зажимами, тем менее жесткая будет проба и меньше вероятность появления трещин.

Проба МВТУ для тонколисто­вого материала представляет со­бой образец, составленный из пла­стин различной ширины, собран­ных на прихватках (рис. 12.48, б). Деформации формоизменения возникают главным образом от изгиба образцов вследствие нерав­номерного нагрева по ширине. При малой ширине пластин нагрев более равномерен и изгибная составляющая деформации отно­сительно невелика. С увеличением ширины b пластины степень неравномерности нагрева, а следовательно, и изгиб пластин уве­личиваются, а затем с увеличением общей жесткости опять умень­шаются. Показателем сопротивляемости образованию трещин является диапазон значений b, при котором образуются трещи­ны. Чем он меньше, тем выше сопротивляемость их образова­нию.

На практике нашли применение и несколько жестких проб, в которых в качестве критерия оценки принят изменяющийся от образца к образцу режим сварки. В основу этих проб положе­но известное обстоятельство, что увеличение скорости сварки приводит к снижению сопротивляемости шва образованию горя­чих трещин, так как уменьшается пластичность в т.и.х., ввиду более неблагоприятной схемы кристаллизации.

Испытания на пробах, позволяющих получить чисто каче­ственную оценку, заключаются в сварке опытных натурных или макетных образцов и установления после усварки факта наличия или отсутствия трещин. Пробы такого, типа дают тем более достоверный результат, чем больше темп деформации, возникаю­щий при их сварке, соответствует существующему в реальной конструкции.

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ СОПРОТИВЛЯЕМОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ОБРАЗОВАНИЮ ГОРЯЧИХ ТРЕЩИН

Для повышения сопротивляемости сварных соединений обра­зованию горячих трещин необходимо в процессе производства стремиться к такому сочетанию их свойств в т.и.х., технологиче­ских приемов и способов сварки, а также такому конструктивно­му оформлению узлов, которые обеспечивали бы при минималь­ных значениях деформации формоизменения максимальный уро­вень показателя . Для этого необходимо стремиться к уменьшению интервала хрупкости, увеличению пластичности ме­талла шва в т.и.х. и снижению темпа деформации.

Все известные способы повышения технологической прочности в конечном итоге сводятся к следующим основным:

1) изменение химического состава;

2) выбор оптимального режима сварки;

3) применение рационального типа конструкции и порядка наложения сварных швов. ,

Химический состав металла шва и основного металла — один из главных факторов, определяющих значения т.и.х., и в из­вестной мере интенсивность развития деформации усадки. Свар­ка плавлением представляет большие возможности регулирова­ния состава металла шва, а в некоторой части и состава зоны

сплавления.

При сварке с применением присадочного материала — ручной, сварке под флюсом, в аргоне и др. — химический состав металла шва и особенности его кристаллизации определятся долей учас­тия основного и присадочного металла и схемой кристаллизации, зависящей как от условий затвердевания и химического состава, так и от структуры основного металла, служащего подложкой, на которой кристаллизуется шов.

Безусловно, эффективное средство повышения технологиче­ской прочности — снижение содержания в сварных швах вред­ных примесей (для сталей, серы, фосфора, по возможности углерода), а также дополнительное легирование, способствующее связыванию серы и фосфора в тугоплавкие соединения.

Большое влияние оказывает характер структуры, образую­щейся при кристаллизации. Благоприятной, например, считается дендритная равноосная. Для ее получения прибегают к модифи­цированию сварных швов редкоземельными, тугоплавкими или поверхностно-активными элементами. Нередко применяют также различные способы внешнего воздействия на кристаллизующийся металл шва — электромагнитное и ультразвуковое перемешива­ние, механические колебания ванны в процессе кристаллизации и др. Для создания условий, способствующих переходу от плос­кой схемы кристаллизации к объемной, иногда прибегают к вве­дению в сварочную ванну дополнительного холодного металла в виде проволоки или металлической крупки того же состава, что и свариваемый металл. Введение охлаждающей присадки созда­ет в ванне зону термического переохлаждения и способствует получению объемной схемы кристаллизации.

Обычно высокопрочные, высоколегированные стали и сплавы больше подвержены образованию горячих трещин, чем обычные конструкционные. Это можно объяснить большей направлен­ностью кристаллитной структуры в шве, увеличенной усадкой, мно­гокомпонентным легированием, способствующим образованию эвтектических составляющих по границам зерен. Для повыше­ния технологической прочности таких сплавов кроме очень жест­кого ограничения содержания вредных примесей (серы и фосфо­ра) часто прибегают к дополнительному легированию молибде­ном, марганцем, вольфрамом, а также введением в шов некото­рого количества модификаторов, способствующих измельчению структуры.

В отдельных случаях технологическую прочность можно по­высить изменением фазового состава металла шва. Так, установ­лено, что образование в шве двухфазной структуры (аустенит и первичный феррит или карбиды, аустенит и эвтектические фазы) способствует подавлению транскристаллитной первичной структуры, измельчают ее. На рис. 12.49 приведено изменение

показателей технологической прочности , мм/мин, в зависимости от количест­ва ферритной фазы в сварных швах на стали ОХ18Н10Т.

Влияние режима сварки на сопро­тивляемость образованию горячих тре­щин весьма важно вследствие следую­щих причин: он представляет собой главный фактор, определяющий форму шва, характер и схему кристаллизации и, кроме того, в значительной мере определяет время пребывания металла шва и околошовной зоны в области высоких температур, при которых происходит не только формирование структуры, но и протекают процессы, приводящие к появлению химической и физической неоднородности.

Мягкие режимы способствуют протеканию равновесной крис­таллизации, зона стыка противоположных фронтов кристалли­зации выражена слабее, уменьшается концентрация деформаций. В то же время более равновесные условия кристаллизации обес­печивают протекание диффузионных процессов в околошовной зоне и в шве, благоприятствуют развитию межзеренной и зо­нальной ликвации. В целом возникающие деформации восприни­маются кристаллизующимся швом более равномерно.

В реальных условиях для уменьшения вероятности образо­вания трещин часто применяют режимы, отличающиеся малыми скоростями и большим током, иногда даже рекомендуют предва­рительный подогрев, однако результаты в этом случае не всегда оказываются положительными, так как большое тепловыделение при незначительной жесткости конструкции может вызвать до­полнительные деформации формоизменения. Из всех параметров режима особенно заметное влияние оказывает скорость сварки. С ее увеличением возрастает длина сварочной ванны, фронт кристаллизации приобретает плоский характер, образуя на оси шва зону срастания кристаллитов. Такой шов малопластичен в т.и.х. и вследствие этого подвержен образованию продольных трещин в осевой зоне.

Кроме двух рассмотренных выше возможностей повышения технологической прочности — изменение химического состава металла шва и режима сварки — не менее важно правильное конструирование сварных узлов, и грамотно назначенный поря­док наложения швов. Все эти факторы определяют значение деформации в т.и.х. и вследствие этого влияют на сопротивля­емость образованию трещин. Полностью исключить влияние кон­струкции на деформацию формоизменения без изменения самих узлов практически невозможно, однако хорошо известны широко применяемые на практике способы уменьшения этих деформаций, например приемы сборки, уменьшающие вероятность образова­ния трещин. К ним .относятся технологические планки, привари­ваемые в начале и конце швов, жесткое закрепление изделия во время сварки с целью уменьшения его коробления, заварка концевых участков швов в направлении к краю и выведению кра­тера на технологические планки, сопутствующий или предвари­тельный подогрев, многопроходная сварка и другие приемы.

Следует подчеркнуть, что все указанные факторы находятся в тесной взаимосвязи и оказывают комплексное влияние как на формирование структуры, ее макро- и микронеоднородность, так и на развитие термодеформационных процессов при сварке.