Сварочные трещины по своей природе подразделяются на горячие трещины, трещины перегрева, холодные трещины, пластинчатые трещины и т. д. Ниже приводится подробное объяснение причин, характеристик и методов предотвращения различных трещин.
01
горячие трещины
Оно возникает при высоких температурах во время сварки, поэтому его называют горячим растрескиванием. Для него характерно растрескивание по границе исходного аустенитного зерна. В зависимости от материалов свариваемого металла (низколегированная высокопрочная сталь, нержавеющая сталь, чугун, алюминиевые сплавы и некоторые специальные металлы и др.) различны также форма, диапазон температур и основные причины возникновения горячих трещин. В настоящее время термические трещины делятся на три категории: кристаллические трещины, трещины разжижения и многосторонние трещины.
картина
(1) Кристаллические трещины
В основном это происходит в сварных швах углеродистой и низколегированной стали, содержащих больше примесей (с высоким содержанием S, P, C, Si), а также в однофазных аустенитных сталях, сплавах на основе никеля и некоторых сварных швах из алюминиевых сплавов. Трещина такого типа возникает в процессе кристаллизации сварного шва, вблизи линии солидуса. Из-за усадки затвердевшего металла остаточного жидкого металла недостаточно и его невозможно заполнить вовремя. Межкристаллитное растрескивание возникает под действием напряжения.
Профилактическими и контролирующими мероприятиями являются: по металлургическим факторам соответствующим образом корректировать состав металла шва, сокращать интервал хрупкой температурной зоны, контролировать содержание в шве вредных примесей, таких как сера, фосфор и углерод; измельчить основные зерна металла шва, то есть соответствующим образом добавить Mo, V, Ti, Nb и другие элементы; с технологической точки зрения это можно предотвратить путем предварительного нагрева перед сваркой, контроля энергии линии, уменьшения защемления суставов и т. д.
(2) Трещины разжижения в районе шва.
Это своего рода микротрещина, которая растрескивается по границе зерен аустенита. Его размер очень мал и встречается в ЗТВ вблизи пластовой зоны или между слоями. Его образование, как правило, связано с тем, что металл в пришовной зоне или металл между сварными швами при сварке вызывает переплавку легкоплавкого эвтектического состава на границах зерен аустенита в этих зонах при высоких температурах. Под действием растягивающих напряжений в легкоплавком эвтектическом составе аустенита межзеренные трещины образуют трещины разжижения.
Меры профилактики и борьбы с этим видом трещин в основном такие же, как и для трещин кристаллов. Особенно в металлургии очень эффективно максимально снизить содержание легкоплавких эвтектических элементов, таких как сера, фосфор, кремний и бор; с точки зрения технологии это может снизить энергию линии и уменьшить вогнутость линии плавления в ванне расплава.
(3) Полигональные трещины
Это обусловлено низкой пластичностью при высоких температурах при формировании полигонов. Этот вид трещины встречается нечасто, и меры по ее предотвращению и контролю могут включать добавление в сварной шов таких элементов, как Mo, W, Ti и т. д., для увеличения энергии многостороннего возбуждения.
02
разогреть трещину
Обычно это происходит в некоторых типах сталей и жаропрочных сплавах, содержащих дисперсионно-упрочняющие элементы (в том числе в низколегированных высокопрочных сталях, перлитных жаропрочных сталях, дисперсионно-упрочненных жаропрочных сплавах и некоторых аустенитных нержавеющих сталях). Трещин после сварки не обнаружено. Вместо этого в процессе термообработки возникли трещины. Трещины перегрева возникают в перегретых крупнозернистых частях сварочной зоны термического влияния, направление их - расширение по границам крупнозернистого аустенита линии сплавления.
С точки зрения выбора материала для предотвращения трещин при перегреве можно использовать мелкозернистую сталь. С точки зрения технологии используйте меньшую линейную энергию, используйте более высокую температуру предварительного нагрева и последующие меры по нагреву, а также используйте малоподходящие сварочные материалы, чтобы избежать концентрации напряжений.
03
холодная трещина
В основном оно возникает в зоне термического влияния сварки высоко- и среднеуглеродистых, низко- и среднелегированных сталей, но иногда холодные трещины возникают и в сварных швах некоторых металлов, например некоторых сверхвысокопрочных сталей, титана и титановых сплавов. В целом, склонность к упрочнению типа стали, содержание и распределение водорода в сварном соединении, а также напряженное состояние соединения являются тремя основными факторами, вызывающими появление холодных трещин при сварке высокопрочных сталей. Под действием элемента водорода и растягивающих напряжений мартенситная структура, образовавшаяся после сварки, образует холодные трещины. Его образование обычно трансгранулярное или межзеренное. Холодные трещины обычно делят на трещины в основании сварного шва, трещины на валике сварного шва и корневые трещины.
Предотвращение и контроль холодных трещин можно начинать с трех аспектов: химического состава заготовки, выбора сварочных материалов и технологических мероприятий. Материалы с более низким эквивалентом углерода следует использовать в максимально возможной степени; В качестве сварочных материалов следует использовать маловодородные электроды, а для сварных швов – низкопрочное соответствие. Аустенитные сварочные материалы также можно использовать для материалов с высокой склонностью к образованию холодных трещин; линейная энергия, предварительный и последующий нагрев должны разумно контролироваться. Термическая обработка – это технологическая мера по предотвращению холодного растрескивания.
В сварочном производстве из-за различных марок стали и используемых сварочных материалов, типа и жесткости конструкции, а также конкретных условий строительства могут возникать различные формы холодных трещин. Однако замедленное растрескивание в основном встречается в производстве.
Отсроченное растрескивание бывает трех форм:
(1) Трещина на кончике сварного шва. Трещина этого типа возникает на границе раздела между основным металлом и сварным швом и имеет очевидные места концентрации напряжений. Направление трещины часто параллельно сварному валику и обычно начинается от поверхности края сварного шва и распространяется на глубину основного металла.
(2) Трещины под сварным валиком. Трещины такого типа часто возникают в зоне термического влияния при сварке с большой тенденцией к закалке и высоким содержанием водорода. Обычно направление трещины параллельно линии сплавления.
(3) Корневая трещина. Этот тип трещины представляет собой распространенную форму замедленной трещины, которая в основном возникает при высоком содержании водорода и недостаточной температуре предварительного нагрева. Этот тип трещины похож на трещину на кончике сварного шва и возникает в корне сварного шва, где концентрация напряжений наибольшая. Корневые трещины могут возникать в крупнозернистом участке зоны термического влияния или в металле шва.
Склонность к упрочнению марки стали, содержание и распределение водорода в сварном соединении, а также напряженное состояние соединения являются тремя основными факторами, вызывающими появление холодных трещин при сварке высокопрочных сталей. Эти три фактора взаимосвязаны и при определенных условиях усиливают друг друга.
Склонность к закалке сталей в основном определяется химическим составом, толщиной пластины, процессом сварки и условиями охлаждения. Чем выше склонность стали к закалке при сварке, тем легче образуются трещины. Почему сталь трескается после закалки? Его можно свести к следующим двум аспектам:
(1) Образование хрупкой и твердой мартенситной структуры. Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в γ-железе. Атомы углерода существуют в виде межузельных атомов в кристаллической решетке, заставляя атомы железа отклоняться от положения равновесия и изменять кристаллическую решетку. Большие искажения приводят к тому, что ткань находится в затвердевшем состоянии. Особенно в условиях сварки температура нагрева в околошовной зоне очень высока, что приводит к серьезному росту аустенитных зерен. При быстром охлаждении крупный аустенит превращается в крупный мартенсит. Из теории прочности металлов известно, что мартенсит представляет собой хрупкую и твердую структуру, потребляющую меньше энергии при разрушении. Поэтому, когда в сварном соединении присутствует мартенсит, легко образуются и расширяются трещины.
(2) Закалка приведет к образованию большего количества дефектов решетки – в условиях термического дисбаланса в металле образуется большое количество дефектов решетки. Эти дефекты решетки представляют собой в основном вакансии и дислокации. По мере увеличения термической деформации в зоне термического влияния сварки вакансии и дислокации будут перемещаться и собираться в условиях напряжений и термического дисбаланса. Когда их концентрация достигнет определенного критического значения, образуются источники трещин. Под постоянным действием напряжения макроскопические трещины будут продолжать расширяться и образовываться.
Водород является одним из важных факторов, вызывающих холодные трещины при сварке высокопрочных сталей, и имеет замедленные характеристики. Поэтому замедленные трещины, вызванные водородом, во многих документах называют «водородным растрескиванием». Экспериментальные исследования доказали, что чем выше содержание водорода в сварных соединениях высокопрочных сталей, тем выше чувствительность к образованию трещин. Когда содержание водорода на локальном участке достигнет определенного критического значения, начнут появляться трещины. Это значение называется критическим значением образования трещин. Содержание водорода [H]кр.
Величина холодного растрескивания [H]cr в различных сталях различна и связана с химическим составом, прочностью стали, температурой предварительного нагрева и условиями охлаждения стали.
(1) Во время сварки влага в сварочном материале, ржавчина, масляные пятна в канавке сварного шва и влажность окружающей среды являются причинами образования водородсодержащих сварных швов. В нормальных условиях количество водорода в основном металле и сварочной проволоке очень мало, но нельзя игнорировать влагу в покрытии электрода и влагу в воздухе, которые становятся основным источником гидрирования.
(2) Способности растворения и диффузии водорода в различных металлических структурах различны. Растворимость водорода в аустените значительно выше, чем в феррите. Поэтому при переходе от аустенита к ферриту при сварке растворимость водорода резко снижается. В то же время скорость диффузии водорода прямо противоположна: она резко возрастает при переходе из аустенита в феррит.
Под действием высокой температуры во время сварки в ванне расплава растворяется большое количество водорода. При последующем процессе охлаждения и затвердевания из-за резкого снижения растворимости водород улетучится в максимально возможной степени, но из-за быстрого охлаждения водород улетучиться не успеет. Остается в металле шва, образуя диффузный водород.
04
Ламеллярный разрыв
Это внутреннее низкотемпературное растрескивание. Оно ограничивается основным металлом или зоной термического влияния сварного шва толстых листов и чаще всего встречается в соединениях типа «L», «T» и «+». Ее определяют как ступенчатую холодную трещину, возникающую в основном материале, поскольку пластичность прокатанного толстого стального листа в направлении толщины недостаточна, чтобы выдержать сварочную усадочную деформацию в этом направлении. Как правило, это связано с тем, что в процессе прокатки толстых стальных листов некоторые неметаллические включения в стали раскатываются в включения в форме полос, параллельные направлению прокатки. Эти включения вызывают анизотропную проводимость механических свойств стальной пластины. Чтобы предотвратить разрыв пластинок, при выборе материала можно использовать очищенную сталь, то есть использовать стальные пластины с высокими характеристиками в направлении Z. Вы также можете улучшить конструкцию соединения, чтобы избежать односторонних сварных швов или сделать канавки на стороне, на которую приходится нагрузка в направлении Z.
Пластинчатое разрушение отличается от холодного растрескивания. Его возникновение не связано с уровнем прочности марки стали, а связано главным образом с количеством включений и формой их распределения в стали. Как правило, пластинчатые разрывы могут возникать в прокатанных толстых стальных пластинах, таких как низкоуглеродистая сталь, низколегированная высокопрочная сталь и даже пластины из алюминиевых сплавов. Пластинчатые разрывы можно условно разделить на три категории в зависимости от их расположения:
Первый тип — это пластинчатый разрыв, вызванный холодными трещинами в носке или корне шва в зоне термического влияния сварки.
Второй тип — растрескивание включений по зоне термического влияния сварки, которое является наиболее распространенным в технике пластинчатым разрывом.
Третий тип растрескивания включений в основном металле вдали от зоны термического влияния обычно возникает в толстых пластинчатых структурах с большим количеством чешуйчатых включений MnS.
картина
Форма пластинчатого надрыва тесно связана с типом, формой, распределением и расположением включений. При доминировании чешуйчатых включений MnS вдоль направления прокатки пластинчатый надрыв имеет четкую ступенчатую форму, при доминировании силикатных включений - линейный, при доминировании включений Al - неравномерный. Шагнул.
При сварке толстых пластинчатых конструкций, особенно Т-образных и угловых соединений, в условиях жестких ограничений усадка сварного шва будет вызывать большие растягивающие напряжения и деформации в направлении толщины основного металла. Когда деформация превышает пластичность основного металла, когда возникает деформационная способность, включения и металлическая матрица отделяются и возникают микротрещины. Под постоянным действием напряжения вершины трещин будут расширяться вдоль плоскости расположения включений, образуя так называемую «платформу».
Существует множество факторов, влияющих на пластинчатые разрывы, в основном включая следующие аспекты:
(1) Тип, количество и форма распределения неметаллических включений являются основной причиной разрыва пластинок. Это фундаментальная причина анизотропии и механических свойств стали.
(2) Ограничивающее напряжение в направлении Z
Толстостенные сварные конструкции испытывают различные сдерживающие напряжения в направлении Z, остаточные напряжения после сварки и нагрузки во время процесса сварки, которые представляют собой механические условия, вызывающие разрыв пластин.
(3) Влияние водорода
Обычно считается, что водород является важным фактором, влияющим на разрыв пластинок, вызванный холодным растрескиванием вблизи зоны термического влияния.
Поскольку разрыв пластинок оказывает большое влияние и опасности очень серьезны, перед началом строительства необходимо оценить чувствительность стали к разрыву пластинок.
Обычно используемые методы оценки включают усадку площади растяжения в направлении Z и метод критического напряжения штифта в направлении Z. Во избежание разрыва пластин усадка площади должна быть не менее 15%. Обычно ожидается, что он составит 15–20%. При 25% сопротивление пластинчатого разрыва считается превосходным.
Для предотвращения разрыва пластинок следует принимать меры в основном по следующим аспектам:
(1) Рафинированная сталь
Метод раннего обессеривания расплавленного чугуна и вакуумной дегазации может быть широко использован при выплавке сверхнизкосернистой стали с содержанием серы всего 0.003~0,005% и усадкой ее сечения (Z направлении) может достигать 23~25%.
(2) Контролировать форму сульфидных включений
Он превращает MnS в сульфиды других элементов, затрудняя удлинение при горячей прокатке и тем самым уменьшая анизотропию. В настоящее время широко используемыми добавками являются кальций и редкоземельные элементы. Из стали, обработанной, как указано выше, можно получить пластинчатые устойчивые к разрыву стальные пластины с усадкой площади в направлении Z от 50 до 70%.
(3) С точки зрения предотвращения разрыва пластин процесс проектирования и строительства в основном направлен на избежание напряжений в направлении Z и концентрации напряжений. Конкретные меры заключаются в следующем:
1) Односторонних сварных швов следует избегать, насколько это возможно. Использование двусторонних сварных швов вместо этого может облегчить напряженное состояние в корневой зоне сварного шва и предотвратить концентрацию напряжений.
2) Используйте симметричные угловые швы с небольшим количеством сварки вместо сварных швов с полным проваром и большим количеством сварки, чтобы избежать чрезмерного напряжения.
3) На стороне, на которую приходится нагрузка в направлении Z, должен быть сделан скос.
4) Для Т-образных соединений на горизонтальную пластину можно предварительно приварить слой низкопрочного сварочного материала, чтобы предотвратить образование корневых трещин, а также уменьшить сварочные нагрузки.
5) Чтобы предотвратить разрыв пластинок, вызванный холодным растрескиванием, следует принять некоторые меры по предотвращению холодного растрескивания, такие как уменьшение количества водорода, соответствующее увеличение предварительного нагрева, контроль межслоевой температуры и т. д.
