Природа и причины образования горячих трещин

Горячие трещины при сварке – хрупкие интеркристаллитные разрушения металла шва и ЗТВ, возникающие в твердо-жидком состоянии при завершении кристаллизации, а также в твердом состоянии при высоких температурах на этапе развития межзеренных деформаций. Природа ГТ адекватна природе высокотемпературной хрупкости.

На рисунке приведены типичные кривые, характеризующие изменение прочности и пластичности сплавов при высоких температурах.

В области нагрева до температур, близких к равновесному солидусу T_S, пластичность и прочность резко падают. При дальнейшем снижении температуры пластичность и прочность снова повышаются.

Рассмотрим процесс кристаллизации из жидкого состояния. На ранних стадиях количество твердой фазы невелико и она свободно перемещается в жидкой. Пластичность будет велика, прочность близка к нулю (жидко-твердое состояние).

По мере роста количества твердой фазы, начиная с некоторой температуры Т_вг, происходит образование твердого каркаса с жидкими прослойками (твердо-жидкое состояние). На ранней стадии каркас способен сопротивляться разрушению, т.е. предел прочности растет. Однако прочность твердой фазы значительно выше, чем у жидкой, и разрушение пойдет по границам зерен. Пластичность металла минимальна.

По мере роста твердой фазы и заклинивания зерен пластичность начинает возрастать, причем растет прочность границ зерен. При некоторой температуре Т_нг разрушение примет транскристаллитный характер, т.е. по объему зерен.

Интервал температур, заключенный между верхней и нижней границами температур хрупкого состояния металла, называется температурным интервалом хрупкости или ТИХ.

Верхняя граница Т_вг – образование каркаса.

Нижняя граница Т_нг – затвердевание ликватов.

Наличие ТИХ обуславливает потенциальную склонность сплавов к ГТ и является необходимым условием и первой причиной их образования.

Вторая причина ГТ – высокотемпературные деформации, развивающиеся вследствие затруднения усадки металла. В качестве критерия используется темп деформации β.

Условие зарождения ГТ – темп деформации превышает критический, т.е., исчерпывается запас пластичности в ТИХ. Графическая интерпретация – пересечение кривой деформации ε(Т) с кривой δ(Т) в ТИХ.

Анализ графика позволяет найти пути борьбы с ГТ

3.Уменьшение темпа деформации

2.Уменьшение протяженности ТИХ

1.Увеличение пластичности в ТИХ

Виды ГТ. Способы оценки склонности к ГТ.

По температуре возникновения ГТ подразделяются на кристаллизационные, возникающие в области температур солидуса в ТИХ-1, и подсолидусные, температура образования которых ниже температуры солидуса. Подсолидусные трещины возникают в узком температурном интервале потери пластичности ТИХ-2. Сварной шов и ОШЗ вследствие неравновесной кристаллизации насыщены дефектами кристаллической решетки, которые при высоких температурах под нагрузкой активно диффундируют к границам зерен, образуя пустоты, сливающиеся в трещины. Верхняя граница ТИХ-2 – затвердевание ликватов, нижняя – подавление активной диффузии вакансий и примесей по границам зерен.

По расположению в сварном соединении различают ГТ во шве, зоне сплавления и ОШЗ. По ориентировке различают продольные и поперечные ГТ.

1. Продольные по центру шва. Эти трещины наиболее опасны. Если нагрузка действует перпендикулярно оси шва, то могут поразить шов по всей длине. Возникают в районе встречи столбчатых кристаллитов, растущих от стенок сварочной ванны. Наибольшая опасность возникновения имеет место для узких и глубоких швов.

2. Продольные между кристаллитами. Ввиду меньшей протяженности менее опасны.

3. Продольные подсолидусные трещины в ОШЗ.

4. Поперечные подсолидусные в ОШЗ.

Многочисленные методы оценки склонности к ГТ могут быть выделены в следующие группы.

1. Расчетно-статистический.

Используется для приближенной оценки сплавов и рекомендуется для экспресс-анализа. Основные показатели – факторы склонности к ГТ, полученные по результатам обработки экспериментальных данных для сравнительно узких групп сплавов.

Для низколегированных конструкционных сталей используется HCS-критерий (Hot Cracking Sensivity).

Для сталей с пределом прочности менее 700 МПа условием стойкости к ГТ является HCS < 4. Если предел прочности более 700 Мпа, то HCS<2.

Для хромоникелевых сталей используется критерий Cr_экв/Ni_экв.

Условие стойкости к ГТ

2. Экспериментальная оценка сопротивляемости к ГТ с помощью машинных методов испытаний.

Металл сварного соединения подвергают внешнему нагружению при высоких температурах с целью инициирования ГТ и получения критерия оценки. Машинные методы предусматривают испытания на изгиб или растяжение в процессе сварки образцов, а также испытания с имитацией термического цикла сварки. Процедура испытаний предусматривает поочередно сварку серии образцов с одновременным деформированием за счет перемещения захватов с заданной скоростью. Первый образец сваривается с минимальной скоростью деформирования. В последующих образцах скорость ступенчато возрастает. Скорость, соответствующая зарождению ГТ, является критической (V_кр). V_кр является критерием стойкости к ГТ.

Машинные методы испытаний применяются для сравнительной оценки сплавов и технологических вариантов сварки. Преимущества – количественный характер оценки и малая металлоемкость эксперимента. Недостатки – необходимость специального оборудования и большой объем испытаний.

2. Технологические пробы

V_св

При испытаниях с помощью технологических проб на металл воздействуют деформации от усадки шва и формоизменения образцов. Специальная конструкция образцов обуславливает повышенные темпы высокотемпературной деформации.

40<b<200

Проба МВТУ

С ростом ширины образца вероятность зарождения ГТ выше. Критерий стойкости к ГТ – максимальная величина b, при которой не происходит зарождение ГТ.

Конструкция образца способствует предельному затруднению усадки металла углового шва и ОШЗ. Угловой шов наносится по исследуемому варианту технологии сварки. При отсутствии ГТ данный технологический вариант считается приемлемым с точки зрения стойкости к ГТ.

Преимущества технологических проб – быстрота проведения эксперимента и отсутствие необходимости в специальном оборудовании.

Недостатки – качественный или полуколичественный характер критериев оценки и большая металлоемкость эксперимента.

Методы борьбы с ГТ

Для повышения стойкости против ГТ необходимо стремиться к уменьшению ТИХ, увеличению пластичности в ТИХ и снижению темпа деформации. Все известные способы повышения технологической прочности в конечном итоге сводятся к следующим основным:

1. Изменение химсостава.

2. Выбор оптимального режима сварки.

3. Рациональный тип конструкции.

При сварке с применением присадочных материалов химсостав металла шва и особенности кристаллизации определяются долями участия основного и присадочного (электродного) металлов.

В первую очередь при изменении химсостава уделяется внимание уменьшению содержания вредных примесей (серы, фосфора), образующих затвердевающие в последнюю очередь легкоплавкие эвтектики. Широко используется дополнительное легирование элементами, связывающими вредные примеси в тугоплавкие соединения (например, сульфид марганца).

Наличие в первичной структуре столбчатых кристаллитов способствует увеличению склонности к ГТ. Модифицируя сварочную ванну титаном, алюминием, РЗМ, а также сильными карбидообразующими элементами, можно получить более благоприятную равноосную первичную структуру. Для создания дополнительных центров кристаллизации в сварочную ванну вводят дополнительный присадочный материал (проволоку, гранулы, порошок) аналогичного состава. Весьма эффективно воздействие на ванну расплавленного металла колебаний (ультразвуковых, механических, электромагнитных и т.д.).

Для высоколегированных аустенитных сталей рациональное легирование позволяет получить двухфазную структуру, способствующую подавлению столбчатой первичной аустенитной структуры. Второй фазой могут быть первичный δ – феррит (2-6%) и тугоплавкие фазы (карбиды, нитриды, интерметаллиды). Наличие тугоплавких фаз на границах зерен препятствует интеркристаллитному скольжению в ТИХ-2.

Влияние режима сварки на сопротивляемость ГТ весьма велико. Режимы сварки определяют характер и схему кристаллизации, и, что весьма важно, время пребывания металла шва и ОШЗ в области высоких температур.

На схеме представлено совместное влияние силы тока и скорости сварки на образование ГТ при сварке аустенитных сталей

Обобщенным критерием режима является величина R=qV_св – энерговложение на секундную длину шва. С увеличением R растут длина ванны, угол встречи кристаллитов в центре шва, а также темп растяжения металла в ТИХ.