5.3. Механизм образования горячих и холодных трещин

В общем случае под сварочными дефектами следует понимать те допустимые и недопустимые несплошности и пороки сварного соединения, которые образуются в металле шва, зоне сплавления и ЗТВ при выполнении технологического процесса сварки. Сварочные дефекты можно классифицировать по многим признакам:

- по месту расположения (поверхностные, внутренние), по величине (мелкие, средние, крупные);

- по массовости (единичные, цепочки, скопления);

- по форме (протяжённые дефекты, короткие, плоскостные, объёмные, остроугольные, округлые).

Трещины являются наиболее опасными дефектами сварных соединений. Появление трещины в большинстве случаев фактически означает начало разрушения сварной конструкции. Возникающие в сварных соединениях трещины, исходя из температурного интервала и природы их образования, можно разделить на три группы: горячие (кристаллизационные), холодные и ламелярные.

Горячие трещины зарождаются при высоких температурах в процессе кристаллизации металла. В последующем трещины могут развиваться при его остывании. Чаще всего микро- и макротрещины образуются в металле шва, но могут быть в ЗТВ. В зависимости от ориентации по отношению к оси шва горячие трещины бывают продольными, поперечными и комбинированными. Они выходят или не выходят на поверхность шва. Поверхность выходящих наружу трещин обычно окислена и окрашена в цвета побежалости; поверхность внутренних трещин имеет серо-белый цвет без металлического блеска. Основная причина возникновения горячих трещин связана с потерей способности металла, в определённый период кристаллизации, противостоять без разрушения растущим при охлаждении шва растягивающим напряжениям.

При кристаллизации металл шва проходит через так называемый температурный интервал хрупкости (ТИХ), в котором металл находится в твёрдожидком состоянии. Этот интервал начинается с переплетения растущих кристаллов и их срастания в жёсткий каркас, при этом остающийся в каркасе жидкий металл не имеет возможности перетекать из одного межзёренного пространства в другое. Такая двухфазная агрегатная система отличается малой прочностью и очень низкой деформационной способностью, её пластичность составляет доли процента. Окончание температурного интервала хрупкости наступает, когда металл практически полностью затвердевает и его прочностные и, главное, пластические свойства резко улучшаются.

Одновременно с кристаллизацией металла шва при охлаждении идёт процесс образования и роста растягивающих сварочных напряжений. Эти напряжения вызывают деформацию растяжения металла шва, которые, как и напряжение, увеличиваются со снижением температуры. Если в период пребывания металла шва в ТИХ нарастающая деформация растяжения превысит пластичность металла, то произойдёт разделение зёрен по жидким прослойкам, т. е. образование трещин.

Холодные трещины образуются по окончании сварки или после наложения отдельных слоёв (валиков) шва, когда температура в зоне сварного соединения оказывается ниже 150…250^оС. Трещины возникают преимущественно в зоне термического влияния и реже – в металле шва сталей, имеющих после сварки закалочные структуры. При этом трещины могут появляться по истечении некоторого времени после остывания сварного соединения и затем медленно, на протяжении нескольких часов и даже суток, распространяться в металле. По своему расположению трещины могут быть продольными и поперечными, не всегда выходить на поверхность, закрытыми и небольшой протяжённости. Холодные трещины отличаются от горячих, прежде всего тем, что они неокисленные, менее разветвлённые и менее раскрытые.

Механизм образования холодных трещин можно описать следующим образом. В процессе охлаждения металл после сварки в ЗТВ закаливающихся сталей образуются в заметном количестве структуры мартенсита и бейнита (мартенсит – пересыщенный твёрдый раствор углерода в α -железе; бейнит – высокодисперсная ферритно-цементитная смесь игольчатого вида), а также сложное напряжённое состояние, обусловленное суммированием сварочных и структурных напряжений. Такие закалочные структуры, особенно на участке перегрева, отличаются хрупкостью и, как следствие, низкой сопротивляемостью раскрытию и распространению трещин.

Одновременно с формированием закалочных структур и растягивающих напряжений в процессе сварки происходит насыщение расплавленного металла водородом, являющимся продуктом разложения попадающей в зону сварки влаги. В зависимости от типа и марки применяемых электродов и условий сварки концентрация диффузионного водорода в металле шва составляет от 1 до 40 мл/100 г (в основном металле диффузионный водород практически отсутствует). В результате перемещения диффузионного водорода из металла шва в основной металл его содержание в ЗТВ вблизи линии сплавления оказывается повышенным. Здесь диффузионный водород, попадая в микропустоты, которыми могут быть дислокационные узлы и другие несовершенства кристаллического строения металла, поверхности частиц твёрдых включений и второй фазы (карбидов, нитридов, сульфидов и пр. ), выделяется из раствора и превращается из атомарного водорода в молекулярный водород. Вследствие постоянного дальнейшего притока диффундирующего водорода в пустоты образуется водородный «пузырь», давление в котором с течением времени повышается и может достигать столь больших величин, при которых «пузырь» надрывается и даёт начало локальной трещине (давление молекулярного водорода в «пузыре» при нормальной температуре может достигать нескольких тысяч МПа). Зарождённая водородным «пузырём» трещина в случае её образования в хрупких напряжённых закалочных структурах получает своё развитие в благоприятных для этого условиях и может распространяться в холодном металле вплоть до выхода на поверхность.

Охрупчивание ЗТВ в результате фазового превращения зависит от химического состава стали и применяемого термического цикла сварки.

Ламелярные трещины могут возникать в зоне сварного соединения, когда металл подвергается нагружению в направлении, перпендикулярном плоскости проката. Такие трещины появляются преимущественно на границе зоны термического влияния или в основном металле при сварке тавровых и угловых соединений из листового проката повышенной толщины. Трещины имеют ступенчатую (каскадную) форму и в большинстве случаев располагаются параллельно поверхности листа. Образованию ламелярных трещин способствуют малая пластичность металла в направлении толщины листа и действии в этом направлении значительных растягивающих напряжений. Наибольшей чувствительностью к ламелярному растрескиванию обладают стали с наименьшим относительным сужением при растяжении в направлении толщины. Дополнительным признаком является высокое содержание серы.