Холодные трещины при сварке

Холодные трещины при сварке

Первые практические наблюдения и исследования, сделанные в 40-х годах, главным образом при сварке среднелегированных закаливающихся броневых сталей позволили выявить основные факторы, определяющие образование холодных трещин. Одним из факторов является наличие крупнозернистой мартенситной структуры или бейнитной структуры в зоне термического влияния, другим — водорода, поступающего в зону термического влияния сварного соединения из металла шва. Эти наблюдения послужили основанием для выдвижения двух гипотез образования холодных трещин — водородной [110, 111] и закалочной [75], развитых в дальнейшем группой советских ученых [35, 44, 53, 99,105 и др.].

В соответствии с первой гипотезой Н, скапливаясь в микропустотах и несовершенствах атомной решетки и превращаясь из атомарного в молекулярный, создает громадное давление, под действием которого происходит разрушение металла, т. е. образуются трещины. Охрупчивающее действие водорода рассматривается в связи с возможностью адсорбирования его на поверхности металла в пустотах и в вершинах распространяющихся трещин. Гипотеза основывается на экспериментальных фактах, подтверждающих, что применение низководородистых и аустенитных электродов приводит к заметному повышению сопротивляемости соединений образованию холодных трещин.

Screenshot_73

Холодная трещина при сварке, пример

В основе закалочной гипотезы лежит тождественность условий, способствующих образованию трещин в зоне термического влияния и при закалке стали. Образование трещин обусловлено главным образом мартенситным превращением, которое происходит со значительным изменением объема и приводит к возникновению высоких собственных напряжений и одновременно к снижению способности металла воспринимать пластическую деформацию. Основными факторами, способствующими образованию закалочных трещин, являются: высокая температура и рост зерен, большая скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения, значительное содержание в стали углерода и легирующих примесей, увеличение жесткости, неравномерный нагрев п охлаждение по сечению закаливающихся деталей.

В 1945—1947 гг. в периодической печати появился ряд обзоров, в которых освещались основные положения по этим гипотезам. Так, И. Ф. Срибный опубликовал обзор [94] исследований, выполненных группой ученых Бирмингемского университета по водороду — основному возбудителю трещин при сварке легированных сталей.

Интересный обзор был подготовлен Г. В. Раевским [88] по работам, выполненным в английском институте сварки.

В обзоре приводятся данные о том, что склонность к холодным трещинам определяется не только чувствительностью стали к закалке, но главным образом сильным падением прочности металла зоны термического влияния при температуре ниже 150° С. Значительное падение прочности зоны термического влияния объясняется действием, кроме основных остаточных напряжений, другой системы внутренних напряжений, уравновешенных в малых объемах, а потому не обнаруживаемых при обычных способах измерения остаточных напряжений.

Металлографические исследования показали, что зарождение холодных трещин наблюдается на границах аустеннтных зерен, поэтому образование — их следует рассматривать как межкристаллитное разрушение; Вероятность возникновения холодных трещин существенно зависит от состояния и свойств границ аустенитных зерен, сформировавшихся в процессе термодеформациониого цикла сварки. Поэтому изучение природы образования холодных трещин в сварных соединениях неразрывно связывалось и базировалось на исследованиях кинетики структурных превращении и напряженно-деформированного состояния зоны термического влияния низко- и среднелегированных сталей. Поскольку холодные трещины образуются в результате замедленного разрушения, был предложен ряд методик испытания на замедленное разрушение как непосредственно сварных образцов, так и образцов, подвергнутых термическому циклу, идентичному сварочному.

Образование холодной трещины

Образование холодной трещины

В МВТУ им. Н. Э. Баумана была разработана серия машин ЛТП для испытания на замедленное разрушение сварных тавровых образцов [83, 87]. В 1959 г. в ИМЕТ им. А. А. Байкова была создала машина ИМЕТ-4, пред-; назначенная для сравнительных коли-! чественных испытаний на замедленное разрушение сталей и сплавов в состоянии после закалки, термического цикла сварки (для зоны термического влияния) и термической обработки [ 104, 106]. В ИЭС им. Е. О. Патона были разработаны две методики и установки для испытания на замедленное разрушение при растяжении стыковых соединений. Первой предусмотрено испытание па специальном приспособлении составного образца со швом прямоугольного поперечного сечения [46, 53]; второй — нагружение сварного образца по заданной программе на специальной испытательной машине [24].

Весьма существенное влияние на образование холодных трещин оказывает жесткость сварного соединения. Поэтому для сравнительной оценки склонности сварных соединений к холодным трещинам применяется также большое количество различных жестких проб [107]. Они с успехом используются для оценки сталей сварных конструкций, а также при разработке режимов технологии сварки и сварочных материалов.

Считается, что усиление жесткости сварного соединения способствует образованию холодных трещин вследствие повышения напряжении и деформаций в области низких температур. Влияние жесткости сварного соединения на образование холодных трещин не нашло своего четкого физического толкования. Несмотря па многочисленные попытки [ИЗ], пока нет достаточно падежных критериев оценки жесткости сварного соединения, которые можно было бы использовать при анализе вероятности образования холодных трещин.

Преимущество испытания самих сварных соединений состоит в том, что эти испытания позволяют учитывать влияние технологии сварки (тип сварочных материалов, влияние водорода, режима сварки) и конструкции сварного соединения. Процесс образования и раз вития холодных трещин в сварных соединениях непосредственно связан с динамикой термодеформационных процессов и структурных изменений, протекающих, как уже указывалось, в условиях нестационарных температур и напряжений. Это создает значительные трудности при изучении механизма образования холодных трещин. Более того, многочисленные данные, полученные в результате изучения напряжений п структуры в зоне термического влияния после квазистабилизации структурного состояния сварного соединения, могут существенно отличаться от таковых в момент образования холодных трещин.

Значительный интерес для раскрытия механизма образования холодных трещин при сварке представляло установление более четких зависимостей влияния водорода на склонность сварных соединений к замедленному разрушению.

В конце 50-х годов Р. А. Козлов опубликовал две статьи [33, 34], показав, что основной причиной образования холодных трещин в сварных соединениях среднелегированных сталей является водород. Им были определены зависимости содержания водорода в металле шва от режима сварки, рода тока, марки флюса и электродов, а также условий прокалки и хранения последних. Рассмотрено влияние водорода на образование трещин в сварных соединениях при различном содержании легирующих элементов в основном металле. Испытания проводились на больших жестких стыковых пробах (2000X1000X6 мм) с применением совершенной для того времени методики количественного определения на «карандашных» пробах выделяющегося эффективного водорода п остаточного водорода. Было показано, что с увеличением эквивалентного углерода в основном металле критическое удержание водорода, выше которого в сварных швах могут образовываться трещины, уменьшается примерно по линейному закону. При эквивалентном

углероде свыше 1% возможно образование трещин и при низком содержании водорода. Следовательно, в последнем случае на образование холодных трещин преобладающее влияние оказывают закалочные явления  для избежания трещин необходимо уменьшать закаливаемость стали.

Полученные данные представляли большой практический и теоретический интерес, поскольку они служили основанием для расчета допустимого содержания водорода в металле шва в зависимости от легирующих элементов в основном металле и выбора технологических рекомендаций. Важным являлось также установление в зависимости от легирования (эквивалентный углерод) предельного содержания водорода и степени закаливаемости стали. Эта зависимость была затем подтверждена во многих работах. В дальнейшем Р. А. Козлов обобщил свои исследования по влиянию водорода на образование холодных трещин в монографии [35].

Особенно четкая взаимосвязь между водородом и образованием холодных трещин наблюдается в сварных соединениях большой группы низкоуглеродистых (до 0,20% С) мартенситных и бейнитных сталей, получивших широкое распространение за последние 20 лет в нашей стране и за рубежом [23, 30, 101]. Большой склонностью к образованию холодных трещин обладают сварные соединения среднелегированных сталей с содержанием углерода более 0,20%. Применительно к этой группе сталей получили наиболее полное развитие исследования по обоснованию закалочной гипотезы образования холодных трещин.

В 1960 г. А. М. Макара опубликовал весьма обстоятельный обзор [46] по исследованию природы холодпых околошовных трещин при сварке закаливающихся сталей. В этой работе была сделана попытка показать несостоятельность водородной гипотезы в части объяснения ряда данных по холодным трещинам и основное внимание было

сосредоточено на обосновании закалочной гипотезы образования трещин. Если учесть, что свои исследования А. М. Макара проводил в основном на высокоуглеродистых среднелегированных сталях (35X3H3M, ЗОХГСНА и др.), эффект водорода должен был проявиться минимально, а основную роль должны играть процессы, связанные с закалкой металла. На основе исследования кинетики структурных превращений и напряженного состояния зоны термического влияния закаливающихся среднелегированных сталей им были сформулированы основные закономерности природы и механизма образования холодных трещин. Согласно этим представлениям трещины возникают в результате замедленного разрушения перегретого и закаленного в специфических условиях металла зоны термического влияния под действием сложных напряжений, возникающих в этой зоне. Показано, что кинетика превращения переохлажденного аустенита в зоне термического влияния определяется не только составом стали и термическим циклом сварки, но и циклом упруго-пластических деформаций, развивающихся в этой зоне в процессе сварки.

На основании изучения характера зарождения и развития околошовных трещин была предложена схема зарождения и развития трещин в результате локального пластического течения металла по границам зерен.

Большой интерес представляют выполненные А. М. Макарой с сотрудниками исследования [47] по кинетике развития холодных трещин с помощью ультразвуковой дефектоскопии. Впервые непосредственно па сварном образце был изучен процесс замедленного разрушения сварного соединения (сталь 35X3H3M). Установлено, что дополнительное приложение к образцу растягивающих напряжений величиной 200— 250 МПа не оказывает влияния на момент зарождения трещин и первый этап роста и зарождения новых трещин (несколько часов). Эффект проявляется в более быстром развитии трещин на заключительном этапе разрушения. В последующих работах [48, 51, 53, 54] было обращено внимание на изучение влияния химического состава, физически свойств и структурных превращений в металле шва сварных соединений среднелегированных сталей на развитие упруго-пластических деформаций в зоне термического влияния, структуру и сопротивляемость образованию холодных трещин.

Изучение механизма и факторов, определяющих образование холодных трещин при сварке закаливающихся сталей, многие годы проводятся в МВТУ им. Н. Э. Баумана. Основное направление — изучение межкристаллической прочности закаливающихся сталей в процессе распада аустенита [83, 84,85]. При разработке методик количественной оценки сопротивляемости сталей образованию трещин учитывалась необходимость включения всех элементов реального сварного соединения. Было показано, что межкристаллическое разрушение в процессе образования холод- \ ных трещин при сварке происходит в определенных температурно-скоростных условиях нагружения и структурного ; состояния металла.

В качестве основной схемы механизма межкристаллического разрушения при образовании холодных трещин в процессе распада аустенита при сварке была принята модель Зинера [83], затем дополненная особенностями напряженного состояния в зоне разрушения [84]. Изучалась эффективность ряда технологических приемов, повышающих устойчивость сварного соединения против образования трещин: подогрев, прокалка сварочных материалов, проковка, подбор состава наплавленного металла.

Существенное влияние на образование холодных трещин в металле шва высокопрочных сталей оказывает структура шва [58, 109]. Микронеоднородность на отдельных участках границ аустенитных зерен способствует уменьшению стойкости против образования трещин в металле шва.

В дальнейшем было изучено влияние легирующих элементов на сопротивляемость металла шва образованию трещин при сварке высокопрочной стали [57]. Показано, что при мартенситной структуре особо важны особенности первичной и вторичной структур, а также химический состав.

В работе [57] исследовалось влияние   режима сварки на образование холодных трещин в зависимости от содержаиия углерода в стали. Для комплексно-легированных сталей, содержащих 0,Зг-0,4% углерода, увеличение скорости сварки и уменьшение погонной энергии приводит к повышению сопротивляемости металла шва образованию холодных трещин; для сталей, содержащих 0,1—0,25% углерода, наоборот к снижению сопротивляемости. Важную роль играет тип первичной структуры. Минимальной сопротивляемостью образованию трещин обладает ячеисто-дендритная структура с развитой химической неоднородностью, максимальной — дендритная структура с малой степенью микронеоднородности по границам аустенитных зерен.

Регулировать вероятность образования холодных трещин можно также структурой свариваемой стали. Высокопрочные закаливающиеся стали в состоянии отжига на зернистый перлит обладают меньшей чувствительностью к холодным трещинам из-за смещения начала превращений в сторону больших температур, образования промежуточньх структур и самоотпуска мартенсита, Уменьшения размера зерна [55].

В работе [56] приведены данные о влиянии строчечных сульфидных неметаллических включений на образовало трещин в зоне термического влияния. Эффективной мерой по их устранению является десульфурация стали дектрошлаковым переплавом.

В ИМЕТ им. А. А. Байкова исследовавия по холодным трещинам базировались на изучении превращения аустенита в зоне термического влияния при охлаждении в условиях сварки и замедленного разрушения склонных к закалке сталей. Последние проводились на установке ИМЕТ-4 с использованием специальных образцов, подвергнутых термической обработке по сварочному термическому циклу [105, 107]. Были получены зависимости между скоростями охлаждения образцов и сопротивляемостью замедленному разрушению. Эти исследования позволили определить критические скорости закалки, превышение которых приводит к минимальной сопротивляемости стали замедленному разрушению и, следовательно, к образованию холодных трещин.

М. X. Шоршоровым была развита вакансионная теория [104],связывающая образование зародышей полостей и их последующий рост до раскрытия в трещины с пресыщением металла вакансиями и их движением к границам зерен под действием напряжений. На основе этой теории был дан анализ влияния напряжений и характерных условий нагрева и охлаждения при сварке на замедленное разрушение сварных соединений [7, 40,106,107].

В последние годы были получены новые данные о развитии пластической деформации и тонкой структуры сварного соединения, а также об особенностях процесса формирования мартенсита и влияния водорода на замедленное разрушение. Эти данные позволяют более детально проанализировать процесс образования холодных трещин в сварных соединениях. Такая попытка была предпринята в работе [29]. Вряд ли целесообразно в настоящее время придерживаться устаревшей концепции о необходимости двух гипотез зарождения и развития холодных трещин. Механизм замедленного разрушения сварных соединений закаливающихся сталей значительно сложней, чем трактует его та или иная гипотеза. Только комплексное изучение этого сложного процесса с учетом всех действующих факторов может дать нужное решение.