Причины и механизм образования горячих трещин в сварных швах

Горячие трещины чаще образовываются в однофазных аустенитных ста-льных швах и в швах, получаемых при сварке сплавов на никелевой основе, ре-же они наблюдаются в ферритно-мартенситных и ферритных швах, а также в швах, получаемых при сварке углеродных и низколегированных конструк-ционных сталей.

В околошовной зоне горячие трещины могут образоваться при сварке аустенитных однофазных сталей, особенно крупнозернистых или склонных к

сильному росту зерна при воздействии сварочного термического цикла. Наи-более вероятно образование горячих трещин в околошовной зоне при сварке или заварке раковин литья аустенитных сталей и при повышенном содержании в них водорода или плохо растворимых в твердом растворе примесей и их легкоплавких соединений, расположенных в виде пленок или строчек по гра-ницам (зонам срастания) первичных кристаллитов.

Образование горячих трещин обусловлено низкой деформацион­ной спо-собностью металла шва при высоких температурах и возник­новением и разви-тием растягивающих напряжений в сварном соеди­нении в момент минималь-ной прочности и пластичности. Способность металла шва сопротивляться обра-зованию горячих трещин, т. е. способность его претерпевать без разрушения лишь упругопластическую деформацию при высоких температурах в процессе сварки, иногда называют технологической прочностью металла. Стойкость данного металла шва против образования горячих тре­щин определяется соотношением между величиной температурного интервала хрупкости его (ТИХ), минимальной межкристаллитной пластичностью и прочностью металла в температурном интервале хрупкости, а также величиной и интенсивностью нарастания растя­гивающих напряжений и деформаций (темпом деформации) в шве по мере снижения температуры. Под межкристаллитиой пластичностью металла обычно понимают способность его кри­сталлитов взаимно проскальзы-вать относительно друг друга под действием напряжений без нарушения метал-лической связи между ними.

Если велик температурный интервал хрупкости и низкие межкристаллит-ная пластичность и прочность металла шва в этом ин­тервале, а возрастание их с понижением температуры отстает от воз­растания растягивающих напряжений и деформаций в нем, то под действием последних пластичность металла быстро уменьшается и происходит хрупкое межкристаллитное разрушение - образуется горячая трещина. Чем выше температура металла шва, при которой сжимаю-щие напряжения и деформации в нем переходят в растяги­вающие, и чем рань-ше возникают и быстрее нарастают эти напряже­ния, тем при прочих равных условиях большая вероятность образо­вания горячих трещин. Этим, например, объясняют повышенную склонность швов к образованию горячих трещин при увеличении толщины свариваемого металла и при сварке нержавеющей аус-тенитной стали по сравнению с углеродистой конструкционной.

Увеличение температурного интервала хрупкости и снижение высокотем-пературной межкристаллитной пластичности и прочности металла шва может быть обусловлено как отмечалось, сегрегацией серы, фосфора, кремния, ниобия в пограничных слоях дендритов вследствие микроскопической ликвации либо сохранением (образо­ванием) по границам дендритов и кристаллитов в процессе кристал­лизации шва хрупких и непрочных химических соединений. Чем выше степень развития в металле шва дендритной химической неод­нородности по элементам, снижающим высокотемпературную межкристаллитную и межденд-ритную пластичность и прочность металла, или чем больше количество и осо-бенно протяженность непластич­ных соединений, выделившихся (образовав-шихся) по границам ден­дритов и кристаллитов в процессе затвердевания метал-ла, тем боль­шая склонность сварного шва к образованию горячих трещин.

Немаловажную роль в повышении склонности сварных швов к образова-нию горячих трещин играет увеличение количества в них водорода, а также крупностолбчатая направленная структура метал­ла. Скопляясь в процессе крис-таллизации шва в неметаллических фазах между дендритами или в микроде-фектах решетки, на межкристаллитных границах либо в образовавшихся мик-роскопических надрывах и ассоциируя в молекулы по мере охлаждения метал-ла (при этом резко возрастает внутреннее давление газа в этих поло­стях), водо-род тем самым способствует образованию горячих трещин и особенно разви-тию их из микроскопических в макроскопические.

Большая склонность к образованию горячих трещин швов с крупностолб-чатой направленной структурой по сравнению со шва­ми с измельченными (уто-ненными) дендритами (ячейками) и кристал­литами, а тем более по сравнению с мелкозернистой дезориентиро­ванной структурой, обусловлена следующими факторами. При одинаковом количестве образовавшейся избыточной фазы с низкой вы­сокотемпературной пластичностью и прочностью или при одина-ковом количестве примеси, обогащающей пограничные слои дендритов и крис-таллитов, удельное количество этой примеси в пограничных слоях или легко-плавких низкопрочных и непластичных ее соедине­ний по границам дендритов и кристаллитов в шве с крупнозернистой структурой больше, чем с мелкозер-нистой из-за меньшей протяжен­ности суммарной поверхности границ в одина-ковом объеме первого шва по сравнению со вторым. Вследствие этого увеличи-вается тем­пературный интервал хрупкости и снижается высокотемпературная межкристаллитная пластичность и прочность металла.

Возможность взаимного поворота (проскальзывания) под дей­ствием нап-ряжений столбчатых кристаллитов меньше, чем равно­осных, что также обусло-вливает меньшую высокотемпературную межзеренную пластичность шва со столбчатой структурой. Кроме того, в шве со столбчатой структурой более ве-роятное направление растягивающих усилий под большим (более близким к прямому) углом к главным осям дендритов по сравнению со швом с дезориен-тированной структурой.

Склонность к образованию горячих трещин в швах при сварке устенит-ных сталей больше, чем при сварке малоуглеродистых конструкционных. Кро-ме того, установлено что при автома­тической сварке с полным проваром аусте-нитной стали температура в центре шва к началу возникновения растягиваю-щих деформаций выше (980° С), чем при ручной сварке (800° С). Следователь-но, при использовании одинаковых сварочных материалов (имеется в виду одинаковые химический состав и структура металла шва) вероят­ность образо-вания горячих трещин в шве, выполненном автоматической сваркой, больше, чем ручной.

К сказанному следует добавить, что с увеличением толщины свариваемо-го дугой металла возникающие сварочные напряжения приобретают все больший объемный характер, что повышает вероятность образования горячих (равно, как и холодных) трещин.

Горячие трещины, образующиеся в однофазных аустенитных швах в подсолидусной области в результате развития химической и фической неод-нородности, называют подсолидусными. При максимально возможном умень-шении содержания вредных примесей в шве (серы, углерода, фосфора, водо-рода, кремния) и закреплении с помощью специального легирования дефектов кристаллической решетки можно предотвратить или уменьшить вероятность образования таких трещин.