Природа и причины образования горячих трещин
Горячие трещины при сварке – хрупкие интеркристаллитные разрушения металла шва и ЗТВ, возникающие в твердо-жидком состоянии при завершении кристаллизации, а также в твердом состоянии при высоких температурах на этапе развития межзеренных деформаций. Природа ГТ адекватна природе высокотемпературной хрупкости.
На рисунке приведены типичные кривые, характеризующие изменение прочности и пластичности сплавов при высоких температурах.
 | |||
| |||
В области нагрева до температур, близких к равновесному солидусу TS , пластичность и прочность резко падают. При дальнейшем снижении температуры пластичность и прочность снова повышаются.
Рассмотрим процесс кристаллизации из жидкого состояния. На ранних стадиях количество твердой фазы невелико и она свободно перемещается в жидкой. Пластичность будет велика, прочность близка к нулю (жидко-твердое состояние).
 |
По мере роста количества твердой фазы, начиная с некоторой температуры Твг , происходит образование твердого каркаса с жидкими прослойками (твердо-жидкое состояние). На ранней стадии каркас способен сопротивляться разрушению, т.е. предел прочности растет. Однако прочность твердой фазы значительно выше, чем у жидкой , и разрушение пойдет по границам зерен. Пластичность металла минимальна.
 |
По мере роста твердой фазы и заклинивания зерен пластичность начинает возрастать, причем растет прочность границ зерен. При некоторой температуре Тнг разрушение примет транскристаллитный характер, т.е. по объему зерен.
Интервал температур, заключенный между верхней и нижней границами температур хрупкого состояния металла, называется температурным интервалом хрупкости или ТИХ.
Верхняя граница Твг – образование каркаса.
Нижняя граница Тнг – затвердевание ликватов.
Наличие ТИХ обуславливает потенциальную склонность сплавов к ГТ и является необходимым условием и первой причиной их образования.
Вторая причина ГТ – высокотемпературные деформации, развивающиеся вследствие затруднения усадки металла. В качестве критерия используется темп деформации β.
.
Условие зарождения ГТ – темп деформации превышает критический, т.е., исчерпывается запас пластичности в ТИХ. Графическая интерпретация – пересечение кривой деформации ε(Т) с кривой δ(Т) в ТИХ.
Анализ графика позволяет найти пути борьбы с ГТ
 | |||||||
| |||||||
| |||||||
| |||||||
Виды ГТ. Способы оценки склонности к ГТ.
По температуре возникновения ГТ подразделяются на кристаллизационные, возникающие в области температур солидуса в ТИХ-1, и подсолидусные, температура образования которых ниже температуры солидуса. Подсолидусные трещины возникают в узком температурном интервале потери пластичности ТИХ-2. Сварной шов и ОШЗ вследствие неравновесной кристаллизации насыщены дефектами кристаллической решетки, которые при высоких температурах под нагрузкой активно диффундируют к границам зерен, образуя пустоты, сливающиеся в трещины. Верхняя граница ТИХ-2 – затвердевание ликватов, нижняя – подавление активной диффузии вакансий и примесей по границам зерен.
| |
 |
1. Продольные по центру шва. Эти трещины наиболее опасны. Если нагрузка действует перпендикулярно оси шва, то могут поразить шов по всей длине. Возникают в районе встречи столбчатых кристаллитов, растущих от стенок сварочной ванны. Наибольшая опасность возникновения имеет место для узких и глубоких швов.
2. Продольные между кристаллитами. Ввиду меньшей протяженности менее опасны.
3. Продольные подсолидусные трещины в ОШЗ.
4. Поперечные подсолидусные в ОШЗ.
Многочисленные методы оценки склонности к ГТ могут быть выделены в следующие группы.
1. Расчетно-статистический.
Используется для приближенной оценки сплавов и рекомендуется для экспресс-анализа. Основные показатели – факторы склонности к ГТ, полученные по результатам обработки экспериментальных данных для сравнительно узких групп сплавов.
Для низколегированных конструкционных сталей используется HCS-критерий (Hot Cracking Sensivity).
.
Для сталей с пределом прочности менее 700 МПа условием стойкости к ГТ является HCS < 4. Если предел прочности более 700 Мпа, то HCS<2.
Для хромоникелевых сталей используется критерий Crэкв/Niэкв .
Условие стойкости к ГТ
2. Экспериментальная оценка сопротивляемости к ГТ с помощью машинных методов испытаний.
Металл сварного соединения подвергают внешнему нагружению при высоких температурах с целью инициирования ГТ и получения критерия оценки. Машинные методы предусматривают испытания на изгиб или растяжение в процессе сварки образцов, а также испытания с имитацией термического цикла сварки. Процедура испытаний предусматривает поочередно сварку серии образцов с одновременным деформированием за счет перемещения захватов с заданной скоростью. Первый образец сваривается с минимальной скоростью деформирования. В последующих образцах скорость ступенчато возрастает. Скорость, соответствующая зарождению ГТ, является критической (Vкр). Vкр является критерием стойкости к ГТ.
Машинные методы испытаний применяются для сравнительной оценки сплавов и технологических вариантов сварки. Преимущества – количественный характер оценки и малая металлоемкость эксперимента. Недостатки – необходимость специального оборудования и большой объем испытаний.
2. Технологические пробы
|
 | |||||
  | |||||
| |||||
Проба МВТУ
С ростом ширины образца вероятность зарождения ГТ выше. Критерий стойкости к ГТ – максимальная величина b, при которой не происходит зарождение ГТ.
Конструкция образца способствует предельному затруднению усадки металла углового шва и ОШЗ. Угловой шов наносится по исследуемому варианту технологии сварки. При отсутствии ГТ данный технологический вариант считается приемлемым с точки зрения стойкости к ГТ.
Преимущества технологических проб – быстрота проведения эксперимента и отсутствие необходимости в специальном оборудовании.
Недостатки – качественный или полуколичественный характер критериев оценки и большая металлоемкость эксперимента.
Методы борьбы с ГТ
Для повышения стойкости против ГТ необходимо стремиться к уменьшению ТИХ, увеличению пластичности в ТИХ и снижению темпа деформации. Все известные способы повышения технологической прочности в конечном итоге сводятся к следующим основным:
1. Изменение химсостава.
2. Выбор оптимального режима сварки.
3. Рациональный тип конструкции.
При сварке с применением присадочных материалов химсостав металла шва и особенности кристаллизации определяются долями участия основного и присадочного (электродного) металлов.
В первую очередь при изменении химсостава уделяется внимание уменьшению содержания вредных примесей (серы, фосфора), образующих затвердевающие в последнюю очередь легкоплавкие эвтектики. Широко используется дополнительное легирование элементами, связывающими вредные примеси в тугоплавкие соединения (например, сульфид марганца).
Наличие в первичной структуре столбчатых кристаллитов способствует увеличению склонности к ГТ. Модифицируя сварочную ванну титаном, алюминием, РЗМ, а также сильными карбидообразующими элементами , можно получить более благоприятную равноосную первичную структуру. Для создания дополнительных центров кристаллизации в сварочную ванну вводят дополнительный присадочный материал (проволоку, гранулы, порошок) аналогичного состава. Весьма эффективно воздействие на ванну расплавленного металла колебаний (ультразвуковых, механических, электромагнитных и т.д.).
Для высоколегированных аустенитных сталей рациональное легирование позволяет получить двухфазную структуру, способствующую подавлению столбчатой первичной аустенитной структуры. Второй фазой могут быть первичный δ – феррит (2-6%) и тугоплавкие фазы (карбиды, нитриды, интерметаллиды). Наличие тугоплавких фаз на границах зерен препятствует интеркристаллитному скольжению в ТИХ-2.
Влияние режима сварки на сопротивляемость ГТ весьма велико. Режимы сварки определяют характер и схему кристаллизации, и, что весьма важно, время пребывания металла шва и ОШЗ в области высоких температур.
На схеме представлено совместное влияние силы тока и скорости сварки на образование ГТ при сварке аустенитных сталей
Обобщенным критерием режима является величина R=qVсв – энерговложение на секундную длину шва. С увеличением R растут длина ванны, угол встречи кристаллитов в центре шва, а также темп растяжения металла в ТИХ.