Кристаллизационные трещины при сварке

Кристаллизационные трещины в металле шва

Кристаллизационными трещинами называют макроскопические и микроскопические несплошности, имеющие характер надреза и зарождающиеся в процессе первичной кристаллизации металла шва. Эти трещины могут затем развиваться при остывании металла в твердом состоянии. Характерной особенностью кристаллизационных трещин является межкристаллический вид разрушения. Они тесно связаны с первичной структурой металла шва и расположены вдоль направления роста столбчатых кристаллитов.

В зависимости от ориентации по отношению к оси шва кристаллизационные трещины бывают продольными и поперечными (рис. 6-1, а, б). Продольные трещины могут располагаться по оси шва в месте стыка столбчатых кристаллитов или между соседними кристаллитами, поперечные трещины — между соседними кристаллитами. Иногда наблюдаются дефекты, являющиеся комбинацией продольных и поперечных трещин (рис. 6-1, в).

При дуговой сварке кристаллизационные трещины выходят (рис. 6-2, а) или не выходят (рис. 6-2, б) на поверхность шва. При электрошлаковой сварке трещины образуются, как правило, в середине сечения шва и не выходят на его поверхность (рис. 6-3, а, б). Поверхности трещин, выходящих наружу шва, обычно окрашены в цвета побежалости, так как покрыты тонкой пленкой окислов (рис. 6-4, а). Поверхность не выходящих наружу трещин имеет серо-белый цвет без металлического блеска (рис. 6-4, б), что обусловлено отсутствием окисляющего действия воздуха на металл.

Трещины, выходящие на поверхность шва, обнаруживаются при внешнем осмотре и с помощью магнитного порошка. Трещины, не выходящие на поверхность шва, обнаруживаются просвечиванием швов рентгеновскими или гамма-лучами, проверкой швов ультразвуком, при разрушении шва по его излому или по макро-и микрошлифам.

Трещины в подавляющем большинстве случаев являются недопустимым дефектом, так как могут послужить причиной (очагом) хрупкого, усталостного и коррозионного разрушения конструкции или детали в процессе изготовления, а также эксплуатации. Кристаллизационные трещины являются одним из основных видов брака при сварке.

Процесс образования кристаллизационных трещин может быть описан такой схемой. При затвердевании металл шва проходит через так называемый эффективный интервал кристаллизации, в котором металл находится в твердо-жидком состоянии,

Этот интервал начинается с переплетения и срастания дендритов в жесткий каркас и заканчивается полным затвердеванием металла. Твердо-жидкое состояние металла характеризуется повышенной хрупкостью, в связи с чем эффективный интервал кристаллизации называют также температурным интервалом хрупкости-При переходе через нижний предел интервала хрупкости (температура реального солидуса) пластические свойства металла

резко улучшаются. Величина температурного интервала хрупкости определяется химическим составом металла шва.

Затвердевание металла шва происходит в условиях воздействия растягивающих напряжений, возникающих в результате неравномерного нагрева и охлаждения свариваемого металла, жесткого закрепления деталей и затрудненного сокращения металла шва. Наличие растягивающих напряжений вызывает пластическую деформацию металла шва, причем интенсивность ее нарастания увеличивается со снижением температуры. Если в период пребывания металла шва в состоянии пониженной пластичности (в температурном интервале хрупкости) величина деформации превысит пластичность металла, произойдет разделение кристаллитов, т. е. образование трещин. Если пластическая деформация, которую претерпевает металл во время пребывания в температурном интервале хрупкости, не превзойдет величины пластичности самого металла, то кристаллизационное Трещины не образуются.

Таким образом, стойкость металла шва против кристаллизационных трещин определяется рядом взаимосвязанных факторов. Основными из них являются величина температурного интервала хрупкости (чем шире этот интервал, тем больше вероятность образования трещин), пластичность металла в этом интервале и интенсивность нарастания пластических деформаций по мере снижения температуры металла (темп деформации).

При разработке технологии сварки принимают, что стойкость металла шва против кристаллизационных трещин (технологическая прочность металла шва) зависит от следующих факторов: величины и скорости нарастания действующих в процессе кристаллизации металла шва растягивающих напряжений; химического состава металла шва, определяющего свойства его в период кристаллизации и длительность пребывания в состоянии, характеризуемом пониженной пластичностью, формы сварочной ванны, определяющей направление роста столбчатых кристаллитов, характер их смыкания между собой, расположение межкристаллит-ных участков по отношению к растягивающим напряжениям и характер изменения пластической деформации; величины первичных кристаллитов.

Причины образования горячих трещин при сварке

Трещины – виды брака сварки, нарушение целостности металла. Разрывы шва или в околошовной области (зона термовлияния – ЗТВ) образуются из-за одновременного снижения пластичности, связанного с кристаллизацией, и внутренних напряжений.

Трещины, разрывы условно делят на две группы. Холодные возникают после остывания. Горячий дефект сварного шва или в ЗТВ формируется:

• в процессе кристаллизации;
• твердожидкой структуре;
• твердом металле, нагретом до высокой температуры.

Горячие трещины при сварке узнаваемы по сильному окислению, они темного цвета. Разрушения чаще выявляют по границам структурных зерен. Несплошности формируются под действием нескольких факторов:

• из-за неравномерности линейной и объемной усадок;
• образования неорганических пленок;
• формирования жидких прослоек при кристаллизации.

Способность к горячему растрескиванию зависит от величины и скорости нарастания кристаллитов, формирующих растягивающие напряжения, длительности процесса сварки.

Виды горячих трещин при сварке

Все виды несплошностей относятся к дефектам, отрицательно отражающихся на прочности соединений. Природа холодных и горячих трещин при сварке различная. Холодные появляются при остывании в результате возникающих внутренних напряжений. Горячие – следствие межкристаллических разрушений. Обычно имеют вид надрезов или несплошностей, различают макро- и микродефекты. Горячие трещины темного цвета (за счет окислов), извилистой формы. По локализации разделяются на две группы:

• растрескивания в зоне термического влияния;
• дефекты в металле сварного шва.

Околошовные бывают нескольких видов:

• Кристаллизационные длинные, обычно раскрытые, не имеют заметных ответвлений. Зависят от двух параметров, влияющих на структуру стали:

формы затвердевания ванны расплава, с краев обычно образуются мелкие зерна, затем крупные столбчатые растут перпендикулярно оси;

размера угла между кристаллитами в поликристаллической структуре, они постепенно смыкаются.

Кристаллизационные горячие ратсрескивания бывают внутренними (выявляются методами неразрушающего контроля) и выходящими на поверхность, определяемыми визуально.

• Ликвиационные горячие трещины связаны с неоднородностью химического состава. По виду мелкие, образуются в местах, где близко расположены столбчатые кристаллы. Зависят от химического состава, наличия тугоплавких легирующих элементов. Деформационная способность структуры также снижается за счет миграции примесей и загрязнений в пространство между зернами, формируются неметаллические включения. При кристаллизации легированных сталей тугоплавкие частицы становятся центром образования кристаллов.
• Деформацонные, связанные с неравномерностью усадки.

Причины образования

Определить природу образования любых горячих трещин при сварке можно, зная механизм затвердевания металлов, способы формирования металлической структуры. Рассмотрим от чего появляются разрывы и несплошности.

Ликвиационные часто появляются при сварке:

• Конструкционных сплавов, содержащих сульфиты. Растворяясь, неорганические соли формируют пленки в зоне термического влияния в районе границы зерен. Особенно склонны к формированию горячих трещин марки стали, содержащие S (серу), P (фосфор). Эти вредные примеси при сварке ухудшают качество швов.
• Сплавы, в состав которых входит Ti (титан), Nb (ниобий), V (ванадий), W (вольфрам), Cr (хром), Mo (молибден) и другие легирующие металлы с низкой температурой отвердевания, при кристаллизации образуют дендриты разной формы. Легкоплавкие элементы кристаллизуются на стыке границ дендритов в последнюю очередь. Нарушаются межкристаллические связи, возникают структурные напряжения.

От величины первичных кристаллитов металлов зависит способность к образованию горячих трещин в процессе сварки. Скорость растягивающих напряжений зависит от температуры.

Из-за низкого относительного удлинения горячие трещины формируются при сварке аустенитных легированных сталей. При жесткой фиксации заготовок для сварки затрудняется структурная деформация.

Кристаллизационные формируются при неправильном выборе технологии, если не учитывается высокое содержание неметаллов и легирующих элементов. Когда превышены значения сварочного тока, возникают крупнозернистые области, приводящие к формированию внутренних напряжений между растущими кристаллитами.

К внешним причинам горячих растрескиваний относятся примеси, появляющиеся в структуре металла в процессе сваривания. Внутренние связаны с сегрегацией – неравномерным распределением микрофаз, легирующих присадок, примесей.

Методы предотвращения появления горячих трещин

Предупреждая образование горячих трещин, при разработке технологии учитывают особенности кристаллизации металлов. Основные способы снижения риска дефектов:

• исключить жесткие соединения;
• увеличить размер шовного валика при соединении толстостенных заготовок;
• варить металл короткими участками, делая широкий шов;
• при круговой сварке, соединении длинных заготовок оставлять детали подвижными максимальное время, заделывать концевые стыки в последнюю очередь;
• не завышать ампераж;
• делать много проходов с промежуточным отжигом;
• внимательно проваривать корневую область, дефекты формируются именно там.

Важно фиксировать заготовки минимально, без зажима, следить за положением электрода. Детали должны быть хорошо подготовлены, чтобы исключить окалину, ржавчину, неметаллические включения. Электроды выбирают по типу металла, режиму сварки.

Как снизить вероятность возникновения

Чтобы снизить риск горячего растрескивания, важно проверять качество сварных заготовок. Некоторые внутренние дефекты формируются при кристаллизации расплава, нарушении технологии раскисления. Избежать горячих трещин при сварке можно, соблюдая температурный режим, следить за кристаллизацией шовного валика. Большое значение имеет соотношение концентрации серы и кислорода. Чем оно выше, тем лучше качество соединений. При снижении соотношения S/О на границе формирующихся зерен образуются пленки, которые, проникая в жидкую фазу, приводят к внутренним дефектам.

К способам устранения вредных факторов относятся:

• Отжиг готовых соединений, изменяется структура зерен в шве, зоне термического влияния, становится однородной, устраняются внутренние напряжения;
• некоторые металлы в процессе кристаллизации прогревают, чтобы снизить скорость охлаждения, минимизируется риск образования областей жидкой фазы внутри шва;
• электроды предварительно прокаливают, детали предварительно нагревают (температура зависит от вида металла).

Требуется соблюдать требования, правила и нормативы, токовые режимы, скорость формирования шовного валика. При выборе оптимальной температуры нагрева технологи учитывают особенности химического состава сталей, алюминиевых и цветных сплавов.

Устранение трещины

Единственно возможный метод борьбы с горячими трещинами – снова проварить металл. До этого дефект вырезается. Технология регламентируется ГОСТ 5264-80 (ММА, MIG/MAG, TIG сварка), ГОСТ 1153-75 (сварка полуавтоматами и автоматами).

Реставрации подлежат участки, где обнаружены внутренние или внешние дефекты. Некоторые структурные нарушения в области термического влияния и сварного соединения устранить невозможно. Явный брак приходится вырезать участками полностью.

Зная причины образования горячих растрескиваний, специалисты тщательно подбирают электроды или присадочную проволоку, следят за технологией. Гораздо проще избежать дефектов, чем устранять их.

Возникновение горячих трещин во время сварки – почему появляются и как исправить

В шпаклевке, покраске или любых других ремонтных работах можно столкнуться с дефектами. Они возникают, если мастер совершил технологическую ошибку на каком-либо этапе. В сварке самый “популярный” дефект – горячие трещины.

Для крупных и мелких предприятий есть технологические нормативные акты, в которых появление горячих трещин в готовой конструкции стандартизировано. Есть также ГОСТы, которые подробно описывают, в каких ситуациях допускаются те или иные погрешности.

Каждый ГОСТ имеет свою категорию, относится к своему типу деформаций. Это могут быть стандарты непровара кромки или корня, брызги металла, трещины при горячей и холодной сварке, свищи и пористые отверстия, измененная форма шва и прочее.

Актуальность проблемы

Сварочные работы в производственных или даже домашних условиях должны выполняться по общим инструкциям, с учетом ГОСТов.

Даже если вы варите что-то “для себя”, соблюдение норм поможет сделать это качественнее, а любая “косметическая” или функциональная проблема при выполнении может повлечь за собой траты на обслуживание или даже замену всей конструкции.

Широко известный дефект – горячая трещина. Такой дефект может быть достаточно большим, чтобы увидеть из без увеличительного стекла. Некоторые из них относятся к “микро-“, разглядеть их просто так не получится.

Но и оба варианта могут быть очень опасными для готового соединения.

В зависимости от того, при каком нагреве была сварена конструкция, коррозии могут быть также горячими и холодными. Если швы сделали, например, при 1000 градусов, трещина в них горячая, а если меньше 1000 – холодная.

Оба варианта этого дефекта практически невозможно устранить, поэтому, найдя такие проблемы в изделии, мастер отмечает его как брак, отправляя в металлолом.

Не важно, какой термический режим вы выбирали, сваривая элементы. Трещины будут иметь свои особенности в зависимости от положения, например, радиального или продольного.

Горячие – это деструкции между кристаллами металла сварочного шва. Это может касаться и зоны в 10-15 сантиметров около шва, на которую тоже воздействует температура аппарата.

Обычно горячие трещины выглядят как надрез или неравномерный шов и появляются уже тогда, когда соединение остывает после варки. Сам шов с такой трещиной будет темным и кривым.

Если вы сваривали элементы, используя температуру до двухсот градусов, появляются трещины холодные. Такие нарушения – это единичные деструкции, которые также возникают уже на остывшем металле.

На месте перелома они светлые, а возникают около шва. С холодными трещинами вы столкнётесь при использовании дугового типа сварки для элементов из плотного металла с большой площадью поперечного разреза.

Горячие околошовные трещины появляются в четырёх разных ситуациях.

• Во время обработки стали для изготовления машинных деталей. В этом типе стали много серных соединений. Расплавляясь сульфиды образуют в зоне термовлияния плёнку, которая сильно понижает прочность шва. Такие дефекты называют ликвидационными. Они могут возникнуть и при использовании стали с легирующими элементами. Горячие трещины такого типа длинные, не имеют ответвлений.
• При сварке нержавеющей стали с “вкраплениями” никеля и хрома. Относительное удлинение в этом случае низкое, это и способствует возникновению горячих трещин.
• Для маленьких деталей (по типу головок цилиндров) характерны кристаллизационные дефекты – горячие микротрещины.

Есть и другие типы горячих трещин, но ситуации, в которых они появляются, бывают редко.

Предотвращение появления холодных трещин

Чтобы избежать холодных трещин важно тщательно прокалить используемый флюс и электродные стержни, а также заранее нагреть все детали до 200-400 градусов.

Желательно предварительно ознакомиться с требованиями по температуре для металла элементов, выбранного типа сварки. Узнайте, какой шов, а также порядок работы подходят в вашем случае.

Обеспечьте медленное остывание обработанной конструкции и ни в коем случае не используйте для этого охладительные элементы. Чтобы снять напряжение с деталей, проведите смягчающий отжиг.

Причины образования горячих трещин

Возникновение горячих разрушений обусловлено внешними и внутренними факторами. Основная причина – разделение элементов и окислившихся их частей. Изначально они не входят в состав материала.

Окислы появляются при использовании дополнительных примесей. Элементы, которые сегрегируют, становятся причиной горячих дефектов не только тогда, когда плавятся.

Они образуют тонкую пленку, которая уменьшает прочность на границе. Внутренние причины горячих трещин – отдельные свойства присадочных материалов.

Кроме этого возникновению горячих трещин способствует присутствие жидких прослоек или лишних примесей в металле, который вы свариваете.

Использование элементов из вольфрама, ванадия и титана усложняет сварку и нарушает химические связи внутри конструкции. Проблемы вызывают и нарушения целостности детали при её укорочении.

Если жёстко зафиксировать деталь при работе, она будет остывать неравномерно и может “покрыться” горячими коррозиями.

Деформации с большей вероятностью появляются, когда металл становится жидким. Когда он в таком состоянии, его атомы массово перемещаются, а вместе с ними в металл переходят и грязевые частички из внешней среды.

А, пока металл остывает, в нём возникает лишнее напряжение. Такое происходит, когда шов “сел” неравномерно. Это основа возникновения именно поперечных горячих разломов.

Чтобы предотвратить эти проблемы нужно “следить” за металлом, пока он находится в расплавленном состоянии и создать условия для его раскисления. Желательно подобрать аналог сере, которая создает плёнки, это может быть, например, марганец.

Если всё-таки вы выбрали серу, следите за тем, чтобы она проходила слева от перитектической точки. Так выделится вещество, которое лучше ее растворит и исключит появления горячей деформации.

Меры предосторожности

Чтобы во время или по окончании работы не образовывались горячие или холодные трещины, нужно запомнить несколько простых правил и придерживаться их.

Надёжная фиксация элементов при работе обеспечит равномерное распределение температуры в изделии.

Стоит учитывать и толщину стенки металлической детали и подбирать шов по ней: если шов будет слишком маленьким по отношению к детали, скорее всего, появятся проблемы.

Кроме шва подобрать режим сварки (от температуры до направленности электрического поля), угол наклона стержня.

Подготовьте детали и материалы перед работой. Детали нужно обработать термически, а электроды выбирать, учитывая тип сварки, материалом элементов и температурой.

Не стоит покупать дешевые электроды, это может повлиять на аккуратность и равномерность шва. Не допускайте перегрева или превышения силы тока для выбранного типа сварки.

Чтобы не спровоцировать появление горячей деформаций, нужно в первую очередь обратить внимание на инструкции к работе с конкретными сталями или сплавами.

Кроме этого, важно увеличивать или уменьшать ширину шва в соответствии с расширением или сужением сечения изделия. Швы должны быть цельными.

Исправление

Некритичные горячие дефекты работы можно устранить. Для этого есть и нормы ГОСТов 5264 и 1153 – в них предусмотрены этапы “заварки”.

Перед работой во время осмотра определяют границы дефекта. Делается это с помощью газовой горелки, разогретой до 150 градусов Цельсия.

После осмотра края горячей трещины обрабатывают сверлом, которое либо должно совпасть с границей, либо отступать от нее максимум на 5 мм.

Если высверлить дефект не получается, можно выжечь его горелкой, также ею обрабатывают области термического влияния. Если размер дефекта более 30 см, заваривают его обратноступенчатым способом сварки.

Мы выяснили, что есть множество причин образования деформаций и дефектов при сварке. Основной дефект – растрескивание при разной температуре сварки, а чтобы они не возникали, нужно узнать особенности свариваемого материала и аппаратуры.

Причинами разломов могут быть “сбои” на любом из этапов работы: от подготовки элементов до создания шва. Для того, чтобы избежать подобных ошибок, существуют ГОСТы сварочных работ.

Лучше изучить их заранее, так как не все трещины поддаются исправлению. Чтобы не переделывать одну и ту же работу, тратя время и материалы, следует “семь раз отмерять”.

Источники:

http://www.tehnoinfa.ru/tehnologijasvarki/43.html
http://svarkaprosto.ru/tehnologii/goryachie-treshhiny-pri-svarke
http://prosvarku.info/tehnika-svarki/goryachie-treshchiny-pri-svarke