Продолжаем раскрывать тему трещинообразования:
Холодные трещины в сварных соединениях
В сварных соединениях как в металле шва, так и в ЗТВ ряда металлов образуются так называемые холодные трещины. Формальными их признаками являются:
- появление визуально наблюдаемых трещин практически после охлаждения соединения;
- блестящий кристаллический излом трещин без следов высокотемпературного окисления.
Холодные трещины относят к замедленному разрушению металла.
К образованию холодных трещин при сварке склонны углеродистые и легированные стали, некоторые титановые и алюминиевые сплавы. Схема изменения структуры и свойств для ЗТВ в случае сварки закаливающихся сталей показана на рис.60.
При сварке углеродистых и легированных сталей холодные трещины могут образовываться, если стали претерпевают частичную или полную закалку. Холодные трещины возникают в процессе охлаждения после сварки ниже температуры 200°С или в течение последующих нескольких суток. Трещины могут образовываться во всех зонах сварного соединения и иметь параллельное или перпендикулярное расположение по отношению к оси шва.
В соответствии с геометрическими признаками и характером излома холодные трещины получила определенные названия: «откол» - продольные в ЗТВ, «отрыв» - продольные в зоне сплавления со стороны шва (аустенитного), «частокол» – поперечные в ЗТВ и др. (см. рис. 61). Наиболее частыми являются холодные трещины вида «откол».
Холодные трещины менее разветвленные и менее раскрытые, чем горячие. Они не всегда выходят на поверхность, могут быть закрытыми и иметь небольшую протяженность. В этих случаях их трудно выявить. Для их выявления используют прежде всего УЗК.
Образование холодных трещин начинается с возникновения очага разрушения, как правило, на границах аустенитных зерен на околошовном участке ЗТВ, примыкающих к линии сплавления (рис. 62).
Протяженность очагов трещин составляет несколько диаметров аустенитных зерен. При этом разрушение не сопровождается заметной пластической деформацией и наблюдается практически как хрупкое. Это позволяет отнести холодные трещины к межкристаллитному хрупкому разрушению. Дальнейшее развитие очага в микро- и макротрещину может носить смешанный или внутризеренный характер.
Основными факторами, обусловливающими образование холодных трещин, являются:
1 - структурное состояние металла сварного соединения, характеризуемое наличием составляющих мартенситного и бейнитного типов;
2 - концентрация диффузионного водорода в зоне зарождения очага трещины, зависящие от концентрации водорода в атмосфере дуги, исходного содержания водорода в основном металле и других условий;
3 – уровень растягивающих сварочных напряжений I рода, определяемый жесткостью сварной конструкции, режимом сварки, типом металла шва и др. причинами.
Совместное влияние водорода и эквивалента углерода на образование холодных трещин в сталях приведено на рис. 63.
Механизм и причины образования холодных трещин в титановых сплавах менее исследованы, чем для случая сварки сталей. Установлено, что они имеют характер замедленного разрушения. При этом период до разрушения значительно больше, чем у сталей, и может достигать нескольких десятков суток. Образование трещин связано с метастабильным состоянием металла шва и ЗТВ после сварки, обусловливающих их пониженную пластичность.
Сопротивляемость металла образованию холодных трещин называют технологической прочность металла в процессе фазовых превращений в твердом состоянии.
Способы оценки склонности к трещинам классифицируются по разным признакам. Прежде всего они делятся на косвенные и прямые.
Косвенные способы позволяют получать оценку склонности к трещинам расчетным путем без непосредственного испытания материалов.
Прямые способы предусматривают сварку технологических проб, специализированные испытания сварных соединений или образующих их материалов в условиях, имитирующих сварочные.
Целями испытаний являются:
- разработка новых сплавов с высокой стойкость против образования холодных трещин;
- разработка оптимальной технологии сварки имеющихся сплавов, исключающей образование холодных трещин.
При разработке расчетных методов определения склонности металлов к образованию холодных трещин применяют два основных методических подхода. Первый использует параметрические уравнения, полученные статистической обработкой экспериментальных данных. Они связывают выходные параметры (показатель склонности к трещинам, требуемую температуру подогрева и другие) с входными параметрами (химическим составом, режимом сварки и другие) без анализа физических процессов в металлах при сварке, обусловливающих образование холодных трещин. Поэтому их применение ограничено областью, в пределах которой изменялись входные параметры при проведении экспериментов. При этом часто не используется все многообразие факторов, влияющих на образование трещин, в том числе и существенно значимых.
При первом методическом подходе широко используются следующие параметрические уравнения:
1. Расчет значения эквивалента углерода Сэкв: формула
Сэкв=С+Mn/6+Si/24+Ni/10+Cr/5+Mo/4+V/14+Cu/15+5B
где символы элементов означают их содержание в сплаве в %.
Стали, у которых Сэкв ≥ 0,45 %, считаются потенциально склонными к образованию трещин. Сэкв
является обобщенным параметром состава стали, характеризующим ее прокаливаемость. При Сэкв ≥ 0,45 % при сварке становится возможным образование закалочных структур в металле сварного соединения, что при условии насыщения металла водородом и высоких сварочных напряжений может привести к образованию холодных трещин.
Методами борьбы с образованием холодных трещин при сварке закаливающихся сталей являются:
- уменьшение степени закалки металла при сварке;
- снижение содержания водорода в металле шва и околошовной зоне;
- снижение содержания водорода в околошовной зоне при металле шва, не склонном к образованию трещин;
- уменьшение уровня сварных напряжений.
Холодные трещины в сталях вероятны, если скорость охлаждения при сварке превышает критическую, соответствующую образованию мартенситно-бейнитной структуры.
Предварительный подогрев сталей позволяет:
- уменьшить скорость охлаждения металла, что уменьшает степень мартенситных превращений, которые сопровождаются резким увеличением удельного объема металла, вызывающим появление структурных напряжений;
- способствует эвакуации водорода из сварных соединений в связи со значительным
увеличением диффузионной подвижности водорода. Так, при нагреве до 200 градусов Цельсия давление водорода в микрополостях снижается на три порядка;
- уменьшает разницу температур в зоне сварки и на периферийных участках, что снижает
напряжения первого рода, вследствие чего пики этих напряжений в околошовных участках ЗТВ сглаживаются. Так, подогрев до 200 градусов Цельсия уменьшает величину сварочных напряжений на 20 %;
- увеличивает пластичность металла, а следовательно, и его деформационную способность.
Температуру подогрева для различных сталей можно определить через Сэкв по формуле:
Тпод=500 * корень кв. из ([Сэкв]-0,45)
Где [Сэкв]= Сэкв*(1+0,005δ) (δ- толщина металла)
Однако максимальная температура подогрева стали не более 450 градусов.
Следует отметить, что в отечественной практике стараются максимально избегать предварительного подогрева. Ограничение предварительного подогрева в практике наших предприятий осуществляется применением либо аустенитных, либо низководородистых электродов, не содержащих в покрытии органических веществ и подвергнутых перед сваркой высокотемпературной прокалке.
Уменьшение закалки металла шва может быть осуществлено за счет применения присадочных материалов с меньшим содержанием углерода, чем в основном металле, при одновременном уменьшении доли участия основного металла в металле шва.
Для уменьшения вероятности образования холодных трещин при сварке закаливающихся сталей части применяют термообработку после сварки. Чаще всего это высокий отпуск, позволяющий:
- снизить количество мартенситной фазы в металле;
- удалить диффузионный водород;
- на 80 ÷ 90 % уменьшить уровень сварочных напряжений в металле;
- повысить пластические свойства металла.
Иногда используют для удаления водорода термический отдых, заключающийся в выдержке сразу после сварки при температуре 150 ÷ 200.
И, теперь посмотрим, для чего же надо столько много букафф:
Решим задачку по приварке ручки к кувалде из стали У8.
Находим содержание легирующих элементов в стали. Берем максимальные значения содержания элементов из марочника сталей и сплавов (не важно в инете или бумажного). Я пользуюсь сайтом
http://www.splav.kharkov.com/mat_start.php?name_id=135 , так как, не у каждого есть спектроскоп в гараже, чтобы узнать истинное содержание.
С- 0,75- 0,84; Si-0.17 - 0.33; Mn-0.17 - 0.33; Ni- до 0.25; Cr- до 0.02; Cu- до 0.25.
Вставляем в формулу:
Сэкв=С+Mn/6+Si/24+Ni/10+Cr/5+Mo/4+V/14+Cu/15+5B= 0,84+0,33/6+0,33/24+0,25/10+0,02/5+0/4+0/14+0,25/15+0=0,95442- эквивалент углерода. Сталь очень плохо варится.
Находим [Сэкв]= Сэкв*(1+0,005δ)
Примем толщину детали около 20 мм. Тогда [Сэкв]= 0,95442*(1+0,005*30)=2,10442
Тпод=500 * корень кв. из ([Сэкв]-0,45)=500* корень кв. из (2,10442-0,45)= 500* 1,286=643 градуса Цельсия.
И получается, что подогрев до расчетной температуры ведет к выходу за ТИХ (температурный интервал хрупкости) и вообще к потере свойств стали. Что делать?
1. Во первых ограничить скорость охлаждением подогревом до температуры 200- 250 градусов. Контролировать температуру можно припоем. То есть берется припой, температуру плавления которого точно знаем (на ярлычке должна быть написана) и кладем на бойковую часть кувалды. Греем паяльной лампой круговыми движениями так, чтобы не создавать пятно нагрева. Как только припой расплавился, начинаем сварку. Можно зарыть кувалду в песок и нагревать песок, но так легко перегреть.
2. Следующий прием: удаляем водород. Т.е. тщательно очищаем поверхность от окиси, масла, органики и прочего. Прокаливаем электроды по инструкции, нагревая до максимальной разрешенной температуры.
3. Выбираем электроды с пониженным содержанием углерода и максимальной пластичностью (я рекомендую для таких работ УОНИ 13/55).
4. Разделка кромок на кувалде должна быть по У7 по ГОСТ 5264, глубина фаски не более 5 мм. Иначе придется много варить, что не айс.
5. Сварку ведем на максимальной скорости, не особо перемешивая расплавленный металл. Диаметр электрода 3 мм, ток 80- 100 А.
6. После сварки обязательно закрываем кувалду теплоизоляцией (стекловата, асбестовая ткань) и медленно студим.
После таких манипуляций можно быть уверенным, что кувалда не отлетит кому-нибудь на голову. Хотя безопасные методы работы со слесарным инструментом никто не отменял.
Можно использовать электроды с высоким содержанием никеля- ОЗЛ-6, ОЗЛ 25Б, АНЖР-2... Но они довольно редки.
