Основные дефекты в металле шва: холодные трещины

Холодные трещины, в отличие от горячих, образуются при остывании сварных соединений ниже температуры 200 «С. Трещины появляются главным образом в околошовной зоне при сварке среднеуглеродистых, высоко- и среднелегированных сталей, сплавов титана.
Представления о природе холодных трещин основываются на закалочной и водородной гипотезах. Согласно закалочной гипотезе образование трещин при сварке, как и при закалке, обусловлено полиморфными превращениями, в результате которых формируются хрупкие закалочные структуры типа мартенситных; на их фоне значительный объемный эффект превращения (изменение объема) приводит к возникновению высоких внутренних напряжений и при наличии концентраторов напряжений — к хрупким разрушениям.
Согласно водородной гипотезе атомарный водород, растворенный при высоких температурах в аустените, при полиморфном превращении выделяется из твердого раствора в микропустоты и создает в них напряжения, достаточные для хрупкого разрушения. Охрупчивающее действие водорода может быть связано также с его адсорбцией на поверхности металла в микропустотах и вершинах распространяющихся трещин.
Металлургические методы борьбы с холодными трещинами сводятся к ограничению количества водорода в металле сварных соединений за счет тщательной очистки поверхностей от ржавчины, жировых и других загрязнений, в состав которых входит водород, просушки и прокалки сварочных материалов, применения фторсодержащих покрытий и флюсов, связывающих водород в нерастворимое соединение HF. Другим методом уменьшения опасности холодных трещин при сварке является снижение прочности, повышение пластичности металла сварного шва за счет выбора электродного или присадочного металла с меньшей концентрацией углерода и легирующих элементов, вызывающих образование хрупких закалочных структур.
Порами в сварных швах называют заполненные газом полости в металле, имеющие округлую, вытянутую или более сложную форму. Поры возникают при кристаллизации металла сварочной ванны в результате выделения газов. При дуговой сварке поры выходят или не выходят на поверхность шва, располагаются цепочкой по оси шва или отдельными группами по его сечению, а также вблизи от границы сплавления. Поры, выходящие на поверхность шва, иногда называют свищами. Они могут быть микроскопическими (несколько микрометров) и крупными (4…6 мм).
Поры — недопустимый дефект в сварных швах аппаратуры, работающей под давлением или предназначенной для хранения и транспортировки жидких и газообразных продуктов. Для других конструкций поры не являются столь серьезным дефектом, как трещины. Однако наличие пор при всех условиях нежелательно. Вопрос о допустимости пор решается в зависимости от условий эксплуатации конструкций.
Основная причина возникновения пор при сварке сталей — наличие водорода, азота и окиси углерода. Роль остальных газов незначительна. Если образование и выделение газов при сварке происходит в период, когда металлическая ванна находится в жидком состоянии и интенсивно перемешивается, то пузырьки газов успевают выделиться. Их выделение не только не приводит к образованию пор, но оказывает рафинирующее действие на сварочную ванну, снижая ее газонасыщенность. Если же образование и выделение газов происходит в период затвердевания ванны и проходит вяло, пузырьки газа не успевают всплыть и остаются в металле в виде пор.
Железо и его сплавы в жидком состоянии могут растворять значительные количества водорода и азота. По мере остывания металла сварочной ванны растворимость этих газов снижается постепенно, и образовавшиеся пузырьки свободно всплывают на поверхность жидкой ванны. При затвердевании металла снижение растворимости водорода и азота происходит скачкообразно. Например, при затвердевании низкоуглеродистой стали растворимость азота снижается в 4 раза, а водорода — в 1,7 раза. Более низкая растворимость водорода и азота в твердом металле по сравнению с растворимостью их в жидком металле ведет к зарождению газовых пузырьков на поверхности раздела жидкого и твердого металлов. При резком увеличении количества выделившегося газа не все пузырьки успевают всплыть на поверхность сварочной ванны, часть их остается в шве.
Окись углерода вызывает пористость при недостаточной раскисленности металла сварочной ванны. Растворенные в жидкой стали углерод и кислород реагируют между собой по реакции:
[С] + [О] -> СО.
Образующаяся при этом окись углерода может образова
ть новые зародыши газовой фазы или же выделиться в уже существующие поры.
Водород поступает в атмосферу дуги, а из нее в сварочную ванну из ржавчины, влаги и других загрязнений, находящихся на поверхности свариваемых кромок и присадочного металла, из защитного газа или из материалов, входящих в состав покрытия или флюса. Уменьшить количество водорода в металле сварочной ванны можно ограничением доступа водорода и водяного пара в зону сварки, а также за счет связывания водорода в соединении HF.
Чтобы избежать концентрации влаги на свариваемых кромках, рекомендуется нагревать их до температуры 100 °С и выше. Ржавчину, масло или краску можно выжигать кислородно-ацетиленовой горелкой или резаком.