Дефекты сварных швов

Деев Г.Ф., Пацкевич И.Р.

Наукова думка, 1984 г.

1. Разрушение металла и факторы, влияющие на этот процесс

Как известно, Разрушение металла обусловлено разрывом связей между атомами. При этом, согласно расчетам, теоретическая прочность металлов оказывается в сотни раз выше, чем их реальная прочность. Испытания показывают, что прочность металла, близкая к теоретической, может быть получена только в нитях диаметром 1 мкм. Увеличение диаметра испытуемого образца приводит к резкому снижению его прочности. Например, для железных нитей диаметром 1,6 и 15 мкм прочность соответственно равна 13 132 и 686 МПа [127].

Для образцов такого размера наблюдаемое снижение прочности, очевидно, связано в первую очередь с несовершенствами строения кристаллической решетки. Эти несовершенства, создавая геометрические и энергетические неравномерности, определяют основные механические свойства металлов [128].

2. Сварочный процесс и образование дефектов

При обработке материалов независимо от вида технологического процесса практически всегда образуются различные дефекты. Вид дефектов, механизм их образования зависят от особенностей применяемого технологического процесса.

К сожалению, и сварочный процесс, подобно другим технологическим процессам, не является исключением, и применение его при производстве различных изделий также приводит к образованию дефектов. Чтобы понять причины появления дефектов в сварных соединениях, кратко рассмотрим особенности сварочного процесса.

При сварке плавлением образование различных дефектов определяется характером взаимодействия жидкого и твердого металлов, а также металлов с газами и шлаком. На взаимодействие этих фаз, на структурные превращения в фазах в зависимости от способа сварки влияют тепло сварочной дуги, электронного и светового лучей и так далее.

Нагрев, плавление, испарение, кристаллизация и охлаждение металла, переход вещества из одной фазы в другую, распределение вещества внутри фазы, взаимодействие различных компонентов — все эти и многие другие процессы характерны для сварочных процессов. Поскольку все или часть из этих процессов протекают в различных участках зоны сварки одновременно, изучение всего процесса в целом является сложной и трудноразрешимой задачей. Поэтому рассмотрим отдельно процессы кристаллизации металла, взаимодействия жидкого металла с твердым металлом, а также металлом с газами я шлаком, т. е. те процессы, которые в наибольшей мере влияют на образование дефектов в сварочном соединении.

5. Современные представления о природе образования дефектов

Выявление и устранение дефектов сварных швов являются трудоемкими операциями, которые могут существенно повысить стоимость сварного изделия. Поэтому снижение вероятности образования дефектов, даже за счет повышения затрат на технологические операции, зачастую приносит экономические выгоды.

Однако разработка мероприятий по уменьшению опасности образования дефектов невозможна без знания природы их возникновения. Рассмотрим кратко современные представления о природе образования дефектов, встречающихся в сварных швах, т. е. горячих трещин, пор, неметаллических включений, подрезов, непроваров и несплавлений.

Основы современной теории образования горячих трещин были заложены в работах [28, 29]. Согласно этим работам, склонность металла к образованию горячих трещин зависит от величины интервала кристаллизации между солидусом и температурой начала линейной усадки. Чем шире этот интервал кристаллизации, названный в работе [28] эффектив ным интервалом кристаллизации, а в сварочной литературе чаще называемый температурным интервалом хрупкости, тем выше вероятность образования горячих трещин. Несколько позже были проведены исследования по изучению природы образования горячих трещин и в сварных швах [117,137, 219, 220]. Эти и другие работы позволили раскрыть механизм возникновения горячих трещин в сварных швах.

Обычно образование горячих трещин в сварных швах объясняют следующим образом. кристаллизация металла шва вследствие неравномерности нагрева свариваемого металла и жесткого закрепления деталей происходит в условиях воздействия на шов растягивающих напряжений. Это приводит к появлению деформаций, которые возникают в начале сварки и особенно усиливаются в процессе охлаждения сварочной ванны.

С момента начала кристаллизации металл сварочной ванны представляет собой двухфазную систему, состоящую из твердых кристаллов и расплавленного металла. Пока объем жидкого металла будет довольно большим, значительной будет и деформационная способность такой системы. При этом деформация всей системы происходит за счет вязкого течения расплава в пространстве между кристаллитами.

С уменьшением объема расплава деформационная способность твердо-жидкой системы снижается, и если величина деформаций превысит пластичность системы, то произойдет разделение кристаллов, т. е. образуются трещины. Причем чем меньше размер кристаллов, тем выше пластичность двухфазной системы при одинаковом объеме расплавленных прослоек. Следовательно, трещины, образующиеся по описанному выше механизму, зарождаются в процессе первичной кристаллизации металла шва и располагаются по границам кристаллов. Такие трещины называются кристаллизационными.

Однако при сварке чистых металлов и однофазных сплавов трещины могут возникать по полигональной сетке границ, которые прямо не связаны с границами кристаллов [146]. В этом случае образование трещин происходит следующим образом [146, 147]. После полного затвердевания металла возникает вторичная сетка полигональных границ, которые могут совпадать или не совпадать с границами первичных кристаллов. Образование полигонизационных границ связано с возникновением стенок дислокаций под действием усадочных и термических напряжений при температурах, близких к солидусу. По этим границам, которые, очевидно, характеризуются повышенной рыхлостью, возможно образование трещин, называемых полигонизационными.

ДЕФЕКТЫ ФОРМЫ ШВА

Основными дефектами ФОРМЫ шва являются подрезы, непровары, прожоги, несплавления, неравномерность сечения шва и др. Существенное влияние на качество сварного соединения оказывают также размеры и форма шва. В частности, с ними связаны стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин, прочностные характеристики и т. д. К тому же от ФОРМЫ шва во многом зависит доля участия основного металла в формировании сварного шва, расход электродных материалов, а следовательно, химический состав металла шва и экономичность процесса. По этим причинам изучению процесса формирования сварного шва было уделено большое внимание. При дуговых способах сварки процессы формирования шва и образования дефектов ФОРМЫ шва связывают прежде всего с режимами сварки и пространственным положением шва. Основными элементами режимов, влияющими на процесс формирования шва, являются величина, род и полярность тока, напряжение дуги и скорость сварки. Эти элементы режимов играют важную роль и в образовании подрезов, непроваров, прожогов и несплавлений.

Заметно влияет на образование перечисленных выше дефектов и процесс формирования шва, изменение пространственного положения электрода или свариваемого изделия. Создание условий, облегчающих вытекание металла из-под дуги в хвостовую часть сварочной ванны (сварка на подъем, углом назад), приводит к увеличению глубины проплавления. Наоборот, затрудняя удаление расплавленного металла сварочной ванны из-под дуги (сварка на спуск, углом вперед), можно уменьшить величину глубины проплавления.

3. Методы по устранению дефектов ФОРМЫ шва

Поскольку в данной главе в основном рассматривалось влияние поверхностных свойств металла и поверхностных явлений на процессы образования шва и дефектов ФОРМЫ шва, то и рассматриваемые меры также, главным образом, будут связаны с изменением величины поверхностной энергии.

Совершенно очевидно, что во многих случаях, не изменяя режимов сварки, глубину проплавления можно существенно повысить за счет введения в металл поверхностно-активных компонентов. Особенно легко это осуществить при сварке в окислительной среде или при использовании окислительных флюсов и покрытий. В случае, когда введение О2 или S является нежелательным или недопустимым, можно применить и другие компоненты (например, редкоземельные элементы, а также Se, Те [2391).

При сварке тонколистового металла в окислительных средах, когда возникает опасность образования прожогов, очевидно, необходимо вводить в сварочную ванну компоненты, которые обладают повышенным химическим сродством к кислороду. Это приведет к снижению содержания свободного кислорода в металле, вследствие чего влияние О2 на поверхностное натяжение расплава стали уменьшится.

За счет снижения поверхностного натяжения металла или его межфазного натяжения на границе со шлаком можно добиться уменьшения величины усиления шва и получить более плавный переход от основного металла к наплавленному. В результате устраняются концентраторы напряжений в сварном соединении и повышается работоспособность сварной конструкции.

Заметно уменьшить величину межфазного натяжения можно за счет введения в шлак оксидов железа и марганца. Кроме того, если оксидный шлак содержит мало FeO и МпО, величину стм можно изменить, изменяя полярность сварочного тока. При сварке на прямой полярности величина межфазного натяжения будет выше, чем при сварке на обратной полярности [66].

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ В МЕТАЛЛЕ СВАРНОГО ШВА

Неметаллические включения, как правило, всегда присутствуют в МЕТАЛЛЕ сварных швов. Их состав, количество, размер, форма и распределение в МЕТАЛЛЕ шва могут оказать заметное влияние на механические свойства сварных соединений. Поэтому, несмотря на то что сварные швы вследствие малого объема сварочной ванны неудобны для изучения неметаллических включений, данному вопросу посвящено довольно много работ. Одними из первых, кто занимался исследованием неметаллических включений в сварных швах, были Н. Ф. Русаиевич и Л. Рив. Однако более тщательные и более обширные исследования начали проводиться лишь в 50—60 годах.

Важное значение имели работы, проведенные А. А. Аловым, К. Борном, К- В. Любавским, Н. М. Новожиловым, В. В. Подгаецким и др. Результаты этих исследований показали, что состав неметаллических включений во многом зависит от применяемых сварочных материалов и способа сварки.

Однако в большинстве работ, как правило, констатируются конечные результаты процесса образования неметаллических включений, т. е. рассматриваются состав включений, их форма, характер расположения и т. д., а вопросы кинетики зарождения, укрупнения и удаления включений не отражены. Между тем совершенно очевидно, что без изучения этих вопросов трудно определить пути снижения содержания неметаллических включений в сварном соединении или получения таких включений, форма и размеры которых не влияли бы существенно на качество шва. Поэтому рассмотрим некоторые стороны кинетики процесса образования неметаллических включений в сварочной ванне.

Указанные вопросы исследуем на примере оксидных и сульфидных включений, чаще встречающихся в сварных швах и в наибольшей мере влияющих на работоспособность сварного соединения.

4. Укрупнение неметаллических включений в сварочной ванне

Поскольку размеры неметаллических включений влияют на скорость их удаления из расплавленного металла и в значительной мере — на механические характеристики сварного соединения, изучение процесса укрупнения неметаллических включений имеет важное значение.

Размеры зародышей неметаллических включений могут увеличиваться или в результате адсорбции ионов из расплава в связи с пересыщением, или вследствие объединения отдельных мелких включений, находящихся в расплавленном металле, при их столкновении. В первом случае скорость роста ВКЛЮЧЕНИЯ будет ограничиваться процессами диффузии реагентов к поверхности включений. Очевидно, что второй процесс будет преобладающим для оксидных включений, так как они образуются в тот момент, когда объем расплавленного металла еще велик и ВКЛЮЧЕНИЯ могут довольно свободно перемещаться.

Для сульфидных включений, которые образуются в момент, когда большая часть металла уже закристаллизовалась, по-видимому, более характерен первый механизм роста, так как при этом подвижность неметаллических включений и вероятность их столкновения очень малы. Однако и для оксидных включений диффузионный рост неметаллических включений будет иметь определенное значение.

Рассмотрим оба процесса роста неметаллических включений. При понижении температуры в расплаве создается пересыщение в отношении образующейся неметаллической фазы.

1. Взаимодействие металлов с газами

Поскольку образование пор в сварных швах во многом определяется содержанием газов в металле, изучение вопросов распределения газов между металлом и газовой средой дает возможность проектировать научно обоснованные технологические процессы и разрабатывать мероприятия по снижению пористости сварных швов.

Как отмечалось, в процессах порообразования основную роль играют Н2, N2 и СО. Так как СО образуется в объеме металла в результате взаимодействия С кислородом или оксидами, ограничимся рассмотрением особенностей перехода из атмосферы в металл и обратно лишь азота и водорода.

Известно, что взаимодействие газов с металлами представляет собой комплекс физических и химических процессов. Это и перенос вещества в контактирующих фазах, и процессы адсорбции и десорбции, и реакции перехода вещества через граничные поверхности, и химические превращения на поверхностях перехода.

Для сварочных процессов в зависимости от применяемого способа защиты характерными являются системы двух видов, металл — газ, когда газ непосредственно контактирует с металлом, и металл — шлак — газ, когда газ прежде, чем поступить в металл, должен пройти через слой расплавленного шлака.

Рассмотрим вначале процесс непосредственного взаимодействия металла с газом.

В этом случае взаимодействие N, и Н, с металлом состоит из ряда последовательных этапов: массопереноса в газовой фазе (внешне — диффузионный этап); фазового перехода, состоящего из процессов диссоциации молекул или молизации атомов, хемосорбции атомов или их десорбции, химических превращений на поверхности расплава, перехода атомов или молекул в граничные слои контактирующих фаз и так далее; внутреннего массопереноса в расплаве.

Для описания процессов взаимодействия газов с жидкостью в настоящее время применяют три модели массопередачи: двухпленочную теорию, теорию пограничного диффузионного слоя и теорию обновления поверхности. Схемы распределения концентраций поглощаемого компонента на межфазной границе для каждой из моделей представлены на рис. 39.