Горячие трещины при сварке: подробное руководство

Опубликовано: 01.10.2023

Трещины горячего сварного шва — это типы трещин, которые могут появиться в сварных швах во время затвердевания.

Это вызвано высоким усадочным напряжением и может усугубляться разделением легкоплавких фаз в центре сварного шва. Горячие трещины могут привести к разрушению сварного шва, и их следует избегать, когда это возможно.

У свариваемых легированных сталей с пределом текучести 56 кг/мм² и выше после сварки в ЗУТ иногда образуются горячие трещины.

Важно отличать это явление от холодного растрескивания, потому что, если его ошибочно принять за холодное растрескивание и использовать предварительный нагрев в качестве меры по устранению, это может усугубить общую проблему, а не устранить ее.

Характеристики горячего растрескивания

Наплавленный металл аустенитной нержавеющей стали подвержен образованию крошечных межзеренных трещин, называемых микротрещинами, которые не видны невооруженным глазом.

Его также называют горячим растрескиванием, поскольку растрескивание происходит при высокой температуре, когда металл шва охлаждается от солидуса примерно до 980°C.

Если уровень напряжения, приложенного к металлу сварного шва, высок, трещины увеличиваются в видимые трещины.

Определение чувствительности к горячему растрескиванию

Чувствительность к горячим трещинам при сварке определяется:

(a) микроструктура металла сварного шва после нанесения,
(b) состав металла сварного шва, в частности, содержание определенных остатков или микроэлементов, таких как бор, фосфор, сера, селен, ниобий и тантал,
(c) величина напряжения, оказываемого на сварной шов во время охлаждения,
(г) наличие запятой.

Первый из этих факторов, а именно микроструктура металла шва, во многом определяет склонность к образованию горячих трещин.

Металл шва, имеющий полностью аустенитную микроструктуру, весьма склонен к этому дефекту, тогда как металл шва с дуплексной структурой дельта-феррита в аустените весьма устойчив к нему.

Что касается состава металла сварного шва, склонность к образованию микротрещин можно уменьшить небольшим увеличением содержания углерода или азота.

К микроэлементам, способствующим образованию микротрещин, по силе относятся: бор, фосфор, сера, селен, кремний, нимбий и тантал.

Поскольку полностью аустенитный металл сварного шва наиболее подвержен микротрещинам при охлаждении от солидуса примерно до 980°C, величину напряжения, оказываемого на металл сварного шва, необходимо минимизировать в этом температурном диапазоне.

Наклейка не эффективна, поскольку ее трудно применять при высоких температурах.

Что вызывает горячие трещины при сварке?

Сера считается наиболее опасным элементом, вызывающим образование горячих трещин при сварке.

Углерод и фосфор поддерживают серу, вызывая горячее растрескивание. Из-за вредного влияния серы на свариваемость ее содержание в стали ограничивается максимум 0,04%.

если содержание серы в высокопрочной легированной стали близко к допустимому максимуму в 0,04%, то в ЗУТ при сварке в условиях высоких стеснений вероятно развитие горячих трещин.

Испытания на горячее растрескивание, проведенные на стали AISI 4340, показывают, что горячее растрескивание при сильном сдерживании можно свести к нулю только тогда, когда совокупное содержание S и P ниже 0,02% - выделение газа - углерода значительно увеличивает склонность к растрескиванию.

Литература по теме: Обзор сварочных трещин и их типов.

Как остановить горячее растрескивание?

Трещины горячего сварного шва — это дефект, который может возникнуть при выделении легкоплавких фаз в центре сварного шва.

Существует несколько способов предотвращения горячего растрескивания, в том числе:

Использование недрагоценного металла с низким содержанием серы и фосфора.
Использование дополнительного сварочного материала с более высокой температурой плавления.
Толстая корневая сварка для компенсации усадочных напряжений.
Нанесите короткие сварные швы в канавке перед сваркой всего сварного шва.

Влияние углерода на горячее растрескивание

Было показано, что углерод способствует междендритной сегрегации серы, что увеличивает вероятность концентрации соединений с более низкой температурой плавления в областях границ зерен.

Уменьшение содержания углерода, даже путем обезуглероживания, снижает склонность к образованию горячих трещин при сварке.

Обработка отжигом, в результате которой образуются сфероидизированные частицы карбида, также имеет тенденцию уменьшать склонность к растрескиванию, очевидно, потому, что короткое время аустенизации в сварном шве не растворяет все сферические частицы.

Таким образом, фактическое содержание углерода в матрице ниже, чем общее содержание углерода в стали.

Влияние марганца на горячее растрескивание

Было обнаружено, что марганец нейтрализует влияние серы на склонность к горячему растрескиванию.

Считается, что это преимущество обусловлено сильной тенденцией марганца образовывать в стали стабильные, более плавкие сульфиды.

Однако вместо того, чтобы пытаться использовать большие добавки марганца в качестве панацеи, хорошие производители стали стараются уменьшить склонность к горячему растрескиванию за счет снижения содержания серы.

Влияние фосфора на горячее растрескивание

Фосфор уже упоминается как сильный стимулятор горячего крекинга. Похоже, что он работает таким образом, увеличивая сегрегацию серы и углерода в стали — до такой степени, что в микроструктуре кованого материала можно увидеть полосы сульфидных включений и карбидных частиц.

Такое полосчатое состояние значительно увеличивает вероятность появления горячих трещин, и если углеродные полосы особенно выражены, эти локализованные области с высоким содержанием углерода могут быть особенно склонны к образованию холодных трещин как продолжению горячих трещин.

Влияние кремния на горячее растрескивание

Считается, что кремний вызывает отделение серы и, таким образом, может увеличить горячее растрескивание.

Обычно кремний не оказывает существенного влияния на склонность к горячему растрескиванию, так как в высокопрочных легированных сталях его количество обычно составляет менее 0,50%, а содержание варьируется в относительно узком диапазоне.

Однако в некоторых очень высокопрочных (термообрабатываемых) легированных сталях используется содержание кремния около 1%, поскольку этот элемент предотвращает размягчение во время закалки в определенных диапазонах температур.

Эти стали обычно изготавливаются с очень низким содержанием серы, чтобы избежать ненужной сегрегации, которой может способствовать высокое содержание кремния.

Влияние хрома, молибдена и ванадия на горячее растрескивание

Считается, что хром, молибден и ванадий оказывают несколько благоприятное воздействие на растрескивание при сварке в горячем состоянии, особенно если присутствует высокое содержание углерода, усугубляющее проблему.

Эти элементы, вероятно, связывают некоторое количество углерода в виде сложных карбидов, тем самым снижая склонность к растрескиванию за счет снижения эффективного углерода. Никель отрицательно влияет на склонность к горячему растрескиванию.

Его эффект особенно заметен при наличии значительного количества серы. Присутствие никеля, вероятно, влияет на состав сульфидов, образующихся по границам зерен.

Влияние алюминия на образование горячих трещин

Алюминий – еще один элемент, который, по-видимому, влияет на состав и распределение сульфидных включений.

Остаточный алюминий в диапазоне примерно 0,02/0,06%, по-видимому, способствует образованию межкристаллитного сульфида, что значительно увеличивает склонность к растрескиванию.

Здесь мы имели дело только с ЗУТ из углеродистых и низколегированных сталей.

Не менее важно знать, как подобные микроструктурные и связанные с ними изменения происходят в ЗУТ других промышленных металлов и сплавов в результате сварки, в какой степени они пагубно влияют на свойства и работоспособность соединений и как с этими неблагоприятными последствиями можно бороться..