З точки зору простого здорового глузду тріщини в зварних з'єднаннях неможливі: метал при виконанні зварного шва спочатку рідкий, а потім при охолодженні - пластичний. Однак фактори (причини і наслідки), що обумовлюють утворення зварного з'єднання є також і факторами (умовами), утворення тріщин в ньому, як-то: нагрівання, плавлення, кристалізація, охолодження в жорсткому закріпленні, структурні, фазові перетворення, внутрішня напруга, мікро- і макро- неоднорідності, і т.п. Поява (отримання) зварного з'єднання без тріщин швидше виняток, ніж правило.
У будь-якому зварному з'єднанні (особливо при зварюванні плавленням), строго кажучи, присутні тріщини (хоча б мікро-), але в сприятливих умовах (у вдалому випадку) вони схлопиваются, а в несприятливих умовах - (в невдалому випадку) - розкриваються - виявляють себе . Тріщини в зварних з'єднаннях класифікують як показано на малюнку.
Здатність матеріалу зварного з'єднання сприймати без руйнування деформації і напруги, що викликаються термодеформаційних циклом зварювання, називається його технологічної міцністю і є найважливішою характеристикою металу, що підлягає зварюванню.
Гарячі тріщини
Відповідно до теорії технологічної міцності опірність зварного з'єднання утворення гарячих тріщин визначається такими факторами:
а) пластичністю металу в температурному інтервалі крихкості;
б) значенням (величиною, протяжністю) температурного інтервалу крихкості;
в) темпом температурної деформації зварного з'єднання.
Виникнення зварювальних деформацій (і напруг) обумовлено концентрованим місцевим нагріванням при зварюванні і має місце завжди. Це пов'язано з тим, що нагрівається обсяг металу при зварюванні завжди знаходиться в закріпленні сусідніми не нагрівається обсягами металу і змушений терпіти пластичні деформації. Це, в свою чергу, при охолодженні призводить до виникнення силових напружень і додаткових деформацій.
Деформації в твердому металі реалізуються по відомим механізмам: двойникования, внутрізеренного ковзання (що приводить до появи ліній зсуву) і межзеренное прослизання, що супроводжується появою сходів по межах зерен. У такій же послідовності зростає роль цих складових деформацій при підвищенні температури металу і зменшення швидкості деформації, причому з підвищенням температури опір деформації прикордонних ділянок зерен падає більш інтенсивно, ніж внутрізеренних обсягів, а запас межзеренного пластичності помітно нижче, ніж внутрізеренной. Тому при високих температурах звичайним є межзеренное руйнування при меншій пластичності.
Гарячі як кристалізаційні, так і подсолідусние тріщини мають міжкристалітної характер. Руйнування йде межзеренного, по межах зерен.
Режим зварювання, що визначає температурне поле в зварюваної виробі, може привести до того, що нерозплавлений метал, розташований поза ванни, буде міняти знак додаткової деформації металу кристалізується ванни (стиснення або розтягування) в різні моменти часу після проходження даного перетину зварювальним джерелом тепла. М'які режими зварювання (з малою швидкістю, при попередньому підігріві і ін.) З цієї точки зору є більш сприятливими, хоча на рівень пластичності кристалізується металу вони можуть надати як позитивне, так і негативний вплив.
Одним з найбільш надійних способів виключення гарячих тріщин в металі швів є вибір металу з підвищеною стійкістю проти таких руйнувань. Це досягається або підвищенням деформационной здатності металу в області температур можливого виникнення тріщин, або забезпеченням "заліковування" утворюються несплошностей рухомий рідкої фазою (легкоплавкіевтектики). Слід зазначити, що збільшення вмісту елемента в сплаві для підвищення стійкості проти утворення тріщин у шві (тобто елементу, що утворює легкоплавкую евтектики) може бути застосовано далеко не завжди, тому що такий сплав може мати властивості, неприпустимими з точки зору експлуатаційних вимог до конструкції. Наприклад, при високому вмісті сірки в сталі можна виключити кристалізаційні тріщини, але механічні властивості таких швів виявляться вельми низькими.
Як технологічний прийом для виключення (обмеження) гарячих тріщин застосовують попередній підігрів (для низько і середньолегованих сталей), зварювання на жорстких режимах (для аустенітних сталей), а також вибирають режими, що забезпечують сприятливе форму шва, тобто співвідношення ширини і глибини шва (шару шва). Так, при одному і тому ж складі металу шви з глибоким проплавлением при малій ширині (тобто при малому значенні b / h; малюнок а, більш схильні до гарячих тріщин, ніж шви з відношенням b / h = 1,5-3 - малюнок б).
Для оцінки схильності металу швів до утворення гарячих тріщин існує ряд проб і методик. Технологічні проби засновані головним чином на встановленні порівняльних характеристик по опірності металу швів, виконаних різними зварювальними матеріалами в порівнянних умовах (розміри і форми зразка, режими зварювання та ін.). Кількісні, методики засновані на отриманні при випробуваннях порівняльних чисельних показників опірності (або схильності) металу швів до утворення гарячих тріщин. Вони здійснюються у вигляді серії випробувань з отриманням чисельного показника стійкості, зазвичай швидкості додаткового примусового деформування свариваемого зразка в період кристалізації певної ділянки зварювальної ванни і наступного охолодження.
холодні тріщини
У зварних з'єднаннях як в металі зварних швів, так і в біляшовних зонах ряду металів утворюються так звані холодні тріщини. Своє найменування вони одержали в зв'язку з тим, що початок їх появи фіксується або при відносно помірних температурах (значно більш низьких, ніж температури гарячої обробки), або при кімнатній і більш низькою температурах.
Найбільш типовими холодними тріщинами в зварних з'єднаннях є поперечні тріщини в металі швів, поперечні тріщини поблизу кордону сплаву в околошовной зоні, а також тріщини, паралельні кордоні сплаву, так звані відколи.
Зазвичай холодні тріщини утворюються в металі з недостатньо високою деформационной здатністю, особливо кордонів зерен, спричиненої загартуванням і пластичною деформацією при нерівномірному охолодженні і фазових перетвореннях. Холодні тріщини утворюються або в процесі завершення охолодження зварного з'єднання, або через деякий час після повного охолодження (уповільнене руйнування).
Освіта холодних тріщин в процесі триваючого охолодження визначається накопиченням пластичних деформацій у зв'язку зі зміною розмірів і форми нерівномірно охолоджується зварюється.
Найбільш характерними температурами виникнення холодних тріщин при зварюванні сталей, що гартуються є температури, при яких вже відбувся розпад основної частини аустеніту, але може тривати розпад залишкового аустеніту. Зазвичай такими температурами є 120 ° С і більш низькі. Часто тріщини утворюються вже при кімнатних температурах через деякий час після закінчення зварювання (десятки хвилин, годинник, а іноді і через більш тривалі проміжки часу).
У гартуються сталях освіту ряду холодних тріщин пов'язано як з отриманням структур з низькими пластичними властивостями металу, так і з впливом водню, що розчиняється при зварюванні в рідкому металі і потім надходить і в околошовной зону.
Розглянемо в цьому відношенні поведінка водню і його вплив на властивості стали при кімнатній температурі. Водень, розчинений в металі або у вигляді атомарного (Н), або у вигляді протона (ТГ), маючи дуже малу величину частки, легко дифундує в залозі не тільки при високих температурах, а й при кімнатних. У зв'язку з високою концентрацією в металі шва, іноді значно перевищує рівноважну розчинність, водень диффузионно поширюється в області з його меншою концентрацією. Такими областями є зовнішня поверхня шва (з якої відбувається видалення водню в повітря), околошовной зона і далі основний метал, а також різні несплошності в металі (пори, порожнечі і локальні недосконалості кристалічної будови металу). В результаті такого переміщення водню його загальна кількість в зоні термічного впливу в певних умовах може збільшуватися або зменшуватися в залежності від співвідношення кількості водню, що надходить в неї в заданий відрізок часу з шва і віддаляється з цієї зони в більш глибокі шари основного металу. Одночасно частина водню, що надходить в несплошності, асоціюється в молекули і перестає бути дифузійно-рухомого. Поступово в таких несплошностях тиск молекулярного водню зростає в зв'язку з подальшим надходженням атомарного водню і утворенням нових молекул.
Методами боротьби з утворенням холодних тріщин при зварюванні сталей, що гартуються є:
- зменшення ступеня загартування металу при зварюванні;
- зниження вмісту водню в металі шва і біля шовної зони;
- зниження вмісту водню в околошовной зоні при металі шва, що не схильному до утворення тріщин.
Основним методом зменшення можливості закаливаемости металу в зварному з'єднанні, головним чином в околошовной зоні, є зниження швидкості охолодження після зварювання, що досягається практично або збільшенням погонной енергії при зварюванні, або попереднім підігрівом вироби. Збільшення погонной енергії при зварюванні, допустимо тільки в обмежених межах. Тому основним способом, радикально впливає на зміну (зменшення) швидкості охолодження металу при зварюванні, є попередній підігрів зварюваного вироби.