Горячие трещины при сварке металлов. Причины образования горячих трещин

Горячие трещины при сварке могут появляться как в самом металле сварного шва, так и в зоне термического влияния. Самой распространённой причиной образования горячих трещин считается невозможность свариваемого металла пластически деформироваться при высоких температурах.

После того, как начинается охлаждение металла сварного шва и околошовной зоны, происходит возникновение и развитие усадочных напряжений. Подобные напряжения деформируют металл, растягивая его. И, в случае, когда деформационная способность металла слишком мала, в нём начинают появляться несплошности.

Чаще всего, горячие трещины при сварке появляются в тот момент, когда сварное соединение находится в двухфазном состоянии. Другими словами, когда по границам кристаллизовавшихся зёрен ещё находится какое-либо количество жидкого металла. Риск образования горячих трещин зависит и от скорости деформации. Т.е. от скорости деформации зависит, заполнятся ли уже возникшие трещины жидким металлом, который ещё не успел затвердеть. Понимая это, можно утверждать, что вероятность возникновения трещин в горячем металле зависит от трёх составляющих: концентрации, температуры и скорости деформации.

Любое сварное соединение, в процессе своего сваривания, проходит через температурную область склонности к таким дефектам, как горячие трещины. Другими словами, любые металлы и стали при сварке, склонны к появлению к горячих трещин в том или ином температурном интервале.

Поэтому, необходимо иметь в виду, что такой дефект сварного шва, как горячие трещины, может образоваться при сварке любых сталей. И это не зависит от того, будет ли это сварка аустенитных сталей, или сварка низколегированных сталей, или же сварка сверхпрочных материалов.

Виды горячих трещин

Горячие трещины можно условно поделить на две категории:

1. Горячие трещины в самом металле сварного шва
2. Горячие трещины в зоне термического влияния

Учитывая то, что при температуре образования трещин усадочные напряжения в металле ещё небольшие, характерной особенностью горячих трещин является то, что они достаточно короткие, но, вместе с тем, разветвлённые, этим они отличаются от холодных трещин при сварке.

Горячие трещины в металле сварного шва

Горячие трещины в сварном шве могут быть кристаллизационными и ликвационными. Кристаллизационные трещины относительно длинные, неразветвлённые и более раскрытые. Зависят такие трещины от величины двугранного угла места стыка кристаллитов и от формы затвердевшей ванны.

Ликвационные горячие трещины представляют собой короткие микротрещины, располагающиеся в районе встречи столбчатых кристаллов. Существуют внешние и внутренние причины образования горячих трещин в сварном шве.

К внешним причинам образования горячих трещин относится сегрегация таких элементов, как сера, фосфор, кислород или различных окислов. Т.е., как правило, это те элементы, которые не добавляются специально в металл, а проникающие в него в виде сопутствующих примесей или вследствие металлургических превращений. Также они могут проникать в металл сварного шва, переходя из основного металла, при его расплавлении.

К внутренним причинам возникновения горячих трещин относится влияние присадочных элементов, т.е. тех, которые специально добавлены в металл сварного шва. Это может быть сегрегация таких элементов, как хром, титан, ниобий, вольфрам, молибден, бор, ванадий и др.

При появлении трещин, сегрегирующие элементы и примеси не обязательно должны находиться в расплавленном состоянии. Они могут формировать тонкие плёнки в твёрдом состоянии, и эти плёнки будут уменьшать прочность по границам зёрен.

Как уменьшить риск возникновения горячих трещин в сварном шве

Для снижения вероятности формирования горячих трещин в сварном шве, нужно контролировать металлургические процессы в расплавленном металле и обеспечить оптимальное раскисление металла при сварке.

В случае образования оксидов и сульфидов большое значение имеет отношение содержания кислорода к содержанию серы O/S в сварном шве. Если значение этого соотношения будет низкое, то по границам зёрен будут образовываться плёнки оксисульфидов. При увеличении этого соотношения плёнки перейдут в глобулярное состояние.

Для связывания серы самым лучшим вариантом будет её взаимодействие с марганцем. Снижение отрицательного влияния серы, в форме сульфидных плёнок, остаётся главной трудностью, особенного при повышенном содержании легирующих элементов в сварном шве.

Одним из способов устранения отрицательного воздействия серы на образование горячих трещин при сварке является управление процессом кристаллизацией, чтобы она проходила слева от перитектической точки. В этом случает, происходит большое выделение дельта-феррита, а в нём сера растворяется значительно лучше, чем в аустените.

Хорошим выходом будет связывание серы титаном, цирконием, или редкоземельными металлами. При содержании серы до 0,02%, можно избежать горячих трещин при сварке, если соблюсти пропорции: Zr/S>5, или Ti/S>8. Склонность металла сварного шва к образованию горячих трещин можно определить по выражению, приведённому на странице: "Оценка свариваемости сталей".

Горячие трещины в зоне термического влияния

Горячие трещины, появляющиеся в зоне термического влияния, делятся на три вида:

1. Ликвационные трещины
2. Трещины по причине низкого относительного удлинения
3. Трещины по другим причинам

Ликвационные трещины образуются достаточно часто при сварке конструкционных сталей. Происходит это из-за того, что в прокатных сталях присутствуют различные включения, которые находятся в листе в виде строчек в направлении проката. И температура плавления таких включений (в основном, сульфидов), ниже температуры солидуса матрицы.

В этом случае, при сварке прокатного листа, часть сульфидов растворяется в зоне термического влияния, образуя сульфидную плёнку. Эта плёнка располагается по границам зёрен и снижет их когезионную прочность. Это является причиной формирования сетки горячих микротрещин.

При сварке низколегированных сталей образованию горячих трещин в зоне термического влияния способствуют легирующие элементы. Особенно сильно влияют титан и ниобий.

Ликвация на границе зёрен происходит при температурах 1300-1350°C, а температура солидуса низколегированных сталей составляет 1400-1480°C.

Трещины по причине снижения относительного удлинения появляются при температурах, близких к температуре солидуса. Снижение относительного удлинения при температурах 1050-950°C наблюдается при сварке низколегированных конструкционных сталей, среднелегированных, а также при сварке высоколегированных сталей, в особенности, хромоникелевых аустенитных. Однако, опасность образования трещин из-за сниженного относительного удлинения, возникает только при сварке аустенитных сталей.

Дополнительные материалы по теме: