Природа образования горячих трещин

 

1. Природа образования горячих трещин.

Выявление и устранение дефектов сварных швов являются трудоемкими операциями, которые могут существенно повысить стоимость сварного изделия. Поэтому снижение вероятности образования дефектов, даже за счет повышения затрат на технологические операции, зачастую приносит экономические выгоды.

Однако разработка мероприятий по уменьшению опасности образования дефектов невозможна без знания природы их возникновения.

Трещины считают самым опасным дефектом сварки. Они могут быть микро- и макроскопическими, а в зависимости от происхождения – горячими и холодными [1].

Именно наличие трещин в сварном соединении зачастую является причиной аварийного разрушения ответственных сварных конструкций. Это связано с тем, что трещины, находящиеся в сварных соединениях, ослабляют сечение швов или свариваемых элементов и тем самым уменьшают статическую прочность соединений. Кроме того, являясь концентраторами напряжений, трещины существенно уменьшают и динамическую прочность сварных соединений.

Рассмотрим современные представления о природе образования горячих трещин.

Склонность металла к образованию горячих трещин зависит от величины интервала кристаллизации между солидусом и температурным интервалом хрупкости. Чем шире этот интервал кристаллизации, тем выше вероятность образования горячих трещин.

Несколько позже были проведены исследования по изучению природы образования горячих трещин и в сварных швах.

Обычно образование горячих трещин в сварных швах объясняют следующим образом. Кристаллизация металла шва вследствие неравномерности нагрева свариваемого металла и жесткого закрепления деталей происходит в условиях воздействия на шов растягивающих напряжений. Это приводит к появлению деформаций, которые возникают в начале сварки и особенно усиливаются в процессе охлаждения сварочной ванны.

С момента начала кристаллизации металл сварочной ванны представляет собой двухфазную систему, состоящую из твердых кристаллов и расплавленного металла. Пока объем жидкого металла будет довольно большим, значительной будет и деформационная способность такой системы. При этом деформация всей системы происходит за счет вязкого течения расплава в пространстве между кристаллитами.

С уменьшением объема расплава деформационная способность твердо-жидкой системы снижается, и если величина деформаций превысит пластичность системы, то произойдет разделение кристаллов, т. е. образуются трещины. Причем чем меньше размер кристаллов, тем выше пластичность двухфазной системы при одинаковом объеме расплавленных прослоек. Следовательно, трещины, образующиеся по описанному выше механизму, зарождаются в процессе первичной кристаллизации металла шва и располагаются по границам кристаллов. Такие трещины называются кристаллизационными.

Однако при сварке чистых металлов и однофазных сплавов трещины могут возникать по полигональной сетке границ, которые прямо не связаны с границами кристаллов. В этом случае образование трещин происходит следующим образом. После полного затвердевания металла возникает вторичная сетка полигональных границ, которые могут совпадать или не совпадать с границами первичных кристаллов. Образование полигонизационных границ связано с возникновением стенок дислокаций под действием усадочных и термических напряжений при температурах, близких к солидусу. По этим границам, которые, очевидно, характеризуются повышенной рыхлостью, возможно образование трещин, называемых полигонизационными. Поскольку эти трещины возникают при температурах, близких к солидусу, и стенки их сильно окислены, их также относят к горячим трещинам. Однако интервал хрупкости при образовании полигонизационных трещин может распространяться и в области температур, лежащих значительно ниже солидуса. Так, при сварке однофазного никелевого сплава Х25Н60В15 интервал хрупкости доходит до температуры 1473 К, что значительно ниже температуры солидуса для этого сплава.

 

 

Горячие трещины при сварке - это хрупкие межкристаллитные разрушения шва и зоны термического влияния. Они могут быть продольными и поперечными и располагаться в металле шва или в зоне термического влияния.

Потенциальную склонность к образованию горячих трещин имеют все конструкционные сплавы при любых видах сварки плавлением, а также при некоторых видах сварки давлением, сопровождающихся нагревом металла до подсолидусных температур.

   

Рисунок 1 - Виды горячих трещин в шве и околошовной зоне (1 и 2 - продольные; 3 и 4 - поперечные).

Согласно физической модели процесса, разработанной Н.Н. Прохоровым, горячие трещины образуются при критическом сочетании значений следующих факторов:

- температурного интервала хрупкости (ТИХ) в период кристаллизации металла шва, °С;

- минимальной пластичности в ТИХ δmin, %;

- темпа высокотемпературной сварочной деформации α, %/°С.

Сплавы в процессе кристаллизации имеют интервал температур, названный температурным интервалом хрупкости, в котором значения прочности и пластичности весьма малы, а разрушение имеет хрупкий характер и происходит по зонам срастания кристаллитов или по границам зерен.

 

 

Рисунок 2 - Схема процесса образования горячих трещин в сварных швах.

а - диаграмма состояния сплава (Сi, - состав сплава; Тл, Тс, Тс н - температуры ликвидуса, равновесного и неравновесного солидуса); б - процесс кристаллизации сварного шва; в - распределение пластичности δ (ТИХ - температурный интервал хрупкости; δmin - минимальная пластичность в ТИХ; ε - интенсивность сварочных деформаций; Ж, ТВ - жидкая и твердая фазы).

В начальный период кристаллизации (рисунок 2) появление твердой фазы не снижает деформационную способность сплава, так как деформирование металла происходит в результате относительного перемещения участков твердой фазы и циркуляции жидкой фазы между ними. По мере дальнейшего охлаждения сплавов непрерывно снижается объем жидкой фазы и металл переходит в твердожидкое состояние, что приводит к соприкосновению кристаллитов при деформировании. Это ограничивает циркуляцию жидкой фазы и резко снижает деформационную способность сплава до минимума (δmin). Температура, соответствующая этому состоянию, называется верхней границей ТИХ (Тв.г). При деформации такого металла кристаллиты воспринимают в местах контакта напряжения, что приводит к появлению определенного уровня сопротивления деформированию. Этому соответствует начало развития высокотемпературной собственной сварочной деформации. Нижняя граница ТИХ (Tн.г) соответствует неравновесному солидусу Тс.н, при котором еще сохраняются тонкие жидкие прослойки между кристаллитами. При охлаждении сплава ниже Тн.г жидкая фаза полностью затвердевает и деформационная способность сплава резко возрастает и достигает максимума, так как деформация распространяется на весь объем полностью затвердевшего металла [3].

Размер ТИХ в основном определяется химическим составом сплавов. В первом приближении для оценки ТИХ используют диаграмму состояния сплава. Для равновесных условии кристаллизации (например, охлаждение расплава в печи) за TИX принимают нижнюю половину интервала кристаллизации [(Тл - Тс)/2], для неравновесных условий кристаллизации, например при сварке, Тн.г соответствует неравновесному солидусу Тс.н (рисунок 2, а, б).

В реальных условиях на длину ТИХ оказывают влияние следующие факторы: не учитываемые при построении диаграммы состояния примеси, степень МХН металла шва и др. В этом случае более точно размер ТИХ определяют экспериментальным путем. Применяют два экспериментальных способа определения ТИХ. Первый - заключается в имитации сварочного термического цикла в стержневых или пластинчатых образцах путем электроконтактного или индукционного нагрева до температуры Тmax (немного

выше предполагаемой Tв.г) и испытания растяжением при различных температу рах на этапах нагрева и охлаждения. По результатам испытания определяют зависимость δ от T (рисунок 2, в). Температурные границы участка этой зависимости с минимальной пластичностью принимают за границы ТИХ. Второй способ предусматривает растяжение образца при сварке с большой скоростью деформации, обеспечивающей образование продольной горячей трещины в сварном шве. Одновременно фиксируется распределение температуры по оси шва. Сопоставляя координаты начала и конца горячей трещины с соответствующими им температурами, определяют границы ТИХ. Следует отметить, что реализация экспериментальных способов оценки границ ТИХ сопряжена с определенными методическими и инструментальными трудностями, связанными с необходимостью введения в расплавленный металл шва термопар, установки датчиков деформации в зонах с высокой температурой и т. п.

Минимальная пластичность в ТИХ определяется структурой и свойствами металла в твердожидком состоянии на завершающем этапе кристаллизации: формой и размерами кристаллитов, количеством и распределением жидкой фазы в межкристаллитных пространствах, свойствами жидкой фазы (жидкотекучестью, вязкостью, прочностью в зависимости от объемности напряженно- деформированного состояния и др.). В сварных швах в зоне образования продольных кристаллизационных горячих трещин по оси шва эти параметры зависят от следующих основных факторов:

1) характера кристаллизации (равноосная, столбчатая);

2) типа кристаллизации (дендритный, ячеисто-дендритный и ячеистый);

3) угла схождения осей противоположно растущих кристаллитов (срастание кристаллитов боковыми гранями или их вершинами);

4) размера поперечных сечений элементов кристаллитов - (мелко- и крупнокристаллитные швы);

5) степени межкристаллитной МХН (минимальная при срастании кристаллитов гранями, максимальная при срастании вершинами);

6) количества и состава жидкой эвтектической фазы в период завершения затвердевания (полностью или частично заполняющей межкристаллитные пространства);

7) распределения высокотемпературных деформаций по поперечному сечению шва (относительное равномерное или сконцентрированное в зоне срастания кристаллитов в центре шва).

Заключенные в скобки первые характеристики факторов соответствуют относительно высоким значениям минимальной пластичности δmin, а вторые - относительно низким значениям δmin при прочих равных факторах.

Определение минимальной пластичности сварных швов в ТИХ расчетным методом с использованием теории механики двухфазных сред является сложнейшей задачей, и ее решение пока не дало положительных результатов. Экспериментальные методы определения минимальной пластичности аналогичны методам, применяемым для определения границ ТИХ, и являются весьма сложными в реализации. Поэтому данных о минимальной пластичности немного. Если судить по имеющимся данным, то значения δmin находится приблизительно в диапазоне 0,15... 1,5 %.

В некоторых сплавах возможно существование нескольких температурных интервалов хрупкости: ТИХI, ТИХII и ТИХIII. TИXI находится в нижней части интервала кристаллизации и характерен для всех сплавов, ТИХII и ТИХIII существуют у некоторых сплавов в твердофазном состоянии металла при температурах ниже температуры неравновесного солидуса Tс.н. Горячие трещины в ТИХI образуются по жидким прослойкам в период завершения кристаллизации шва, а также в околошовной зоне по оплавленным границам в период нагрева. Горячие трещины такого типа называются кристаллизационными или ликвационными трещинами соответственно в шве и в околошовной зоне. Эти трещины характерны для всех типов сплавов.

Горячие трещины в ТИХII образуются в закристаллизовавшихся шве и околошовной зоне в период интенсивного развития процессов самодиффузии атомов основы сплава и миграции границ зерен. В результате этих процессов происходит межзеренное проскальзывание и зарождение горячих микротрещин. Горячие трещины такого типа называются подсолидусными трещинами. Они характерны для однофазных аустенитных и никелевых сплавов.

Горячие трещины в ТИХIII образуются в результате охрупчивания, обусловленного распадом твердого раствора с выпадением мелкодисперсных интерметаллидных и карбонитридных фаз (например, γ - фазы Ni3TiAl в высоконикелевых сплавах). Дисперсионное упрочнение объема зерен приводит к локализации пластических деформаций по приграничным участкам, относительному проскальзыванию зерен и зарождению горячих микротрещин. Такие горячие трещины называются трещинами дисперсионного твердения. Они характерны для высоколегированных гетерогенных жаропрочных аустенитных сталей и никелевых сплавов.

 

2. Металлургические, технологические и конструктивные пути предупреждения горячих трещин

Все способы повышения сопротивляемости образованию горячих трещин (технологической прочности при сварке в процессе кристаллизации) направлены на регулирование основных факторов, обусловливающих образование трещин: уменьшение ТИХ, увеличение δmin, т. е. повышение критического темпа деформации αкр = δmin/ТИХ. Для обеспечения стойкости сварных соединений конструкций против горячих трещин одновременно с этим желательно принимать меры по снижению действительного темпа высокотемпературной деформации. Применяют следующие способы: металлургические, технологические, конструктивные.

Влияние основного и присадочного (наплавленного) металла на технологическую прочность металла шва. Металл шва представляет собой сплав основного (свариваемого) и присадочного (электродного) металла. Влияние основного металла на свойства шва проявляется двояким образом. Во-первых, он определяет химический состав металла шва по тем элементам, по которым имеются различия в составе свариваемого металла и электрода; степень этого влияния определяется долей основного металла в шве. Во-вторых, являясь подложкой, на которой происходит кристаллизация металла сварочной ванны, основной металл может влиять на структуру шва.

Присадочный металл составляет обычно значительную часть металла шва. Обычно при сварке жаропрочных сплавов применяются режимы с невысокой погонной энергией и 0 (доля основного металла в шве) равна 0,2 - 0,3.

Сравнение промышленных электродов по технологической прочности наплавленного металла. Сравнение пяти марок электродов для сварки никелевых сплавов, получивших промышленное применение показало, что по стойкости наплавленного ими металла против образования горячих трещин исследованные электроды распадаются на две группы (рисунок 3) [4]. Электроды ИМЕТ-4П, ИМЕТ-10 и НИАТ-8 дают наплавленный металл с высокой критической скоростью деформации при испытании по методу ИМЕТ-2 (vкр ≈ 6 мм/мин), что позволяет применять их для сварки соединений и конструкций, где опасность появления трещин особенно велика. Более склонный к образованию трещин наплавленный металл дают электроды ЦТ-28 и НИЛТ-7 (vкр ≈ 3,5 - 4,5 мм/мин).