Анализ и совершенствование технологии ручной дуговой сварки неповоротных кольцевых стыков магистральных трубопроводов

Кривая пластичности может иметь еще один минимум, расположенный в области более низких температур, в частности, в том случае, когда при высоких температурах сварочного цикла происходит значительное перераспределение примесей из тела зерна к его границам и образуются новые фазы эвтектического характера. У однофазных сплавов могут образовываться новые границы зерен с более высоким уровнем физической или химической неоднородности, приводящей к понижению прочностных и пластических свойств. Иногда первый и второй ТИХ расположены так близко, что могут сливаться, образуя один ТИХ.

1.3.3.2.6 Горячие трещины при сварке

Горячими трещинами называются хрупкие межкристаллитные разрушения сварного шва или околошовной  зоны, возникающие в области ТИХ  в результате воздействия термодеформационного цикла. Горячие трещины чаще всего возникают в сплавах, обладающих выраженным крупнокристаллическим строением с повышенной локальной концентрацией легкоплавких фаз. Согласно общепринятым представлениям они возникают в том случае, если интенсивность нарастания деформаций в металле сварного соединения в период остывания приводит к деформациям большим, чем его пластичность в данных температурных условиях. Способность сварного соединения без разрушения воспринимать деформации, вызванные термодеформацинным циклом сварки, определяет уровень его технологической прочности.

Теория технологической прочности, разработанная Н.Н.Прохоровым, гласит, что сопротивляемость сварного соединения образованию горячих трещин определяется тремя основными факторами:

1) пластичностью металла в ТИХ;

2) значением интервала ТИХ;

3) характером нарастания деформации при охлаждении (темпом нарастания деформации сварного соединения.

Рассматривая графическое изображение  вышеприведенных зависимостей, можно  увидеть, что:

1) на рис. 30, а, показано влияние минимальной величины пластичности в ТИХ на сопротивляемость сварного соединения образованию горячих трещин. При этом принято, что деформационная способность сплава определяется его пластичностью, т.к. при температурах в области Тс упругой деформацией можно пренебречь ввиду ее незначительности. При тех значениях ТИХ и темпа деформации, сплав, обладающий большей пластичностью (П₃) трещины не даст, т.к. возникающий темп деформаций (кривая е) недостаточен для исчерпания его пластичности. У сплава, пластичность которого характеризуется кривой 2 , в момент, определяемый точкой А, значения пластичности и возникающей деформации равны – кривые касаются. Это критический случай. В сплаве, обладающем пластичностью в ТИХ, характеризуемой кривой 1, при том же темпе деформаций е и температуре, соответствующей точке Б произойдет исчерпание пластических свойств и образуется трещина. Таким образом, чем больше пластичность в ТИХ, тем при прочих равных условиях меньше вероятность образования горячей трещины;

2) на рис. 30, б) представлен случай, когда сплавы при одинаковой минимальной пластичности отличаются протяженностью ТИХ. При этом принято, что характер изменения пластичности в ТИХ у всех трех сплавов одинаков и пластичность остается неизменной на всем протяжении ТИХ. В этом случае, чем больше протяженность ТИХ, тем больше вероятность возникновения трещины;

3) на рис. 30, в) рассмотрено влияние темпа деформации при одинаковых значениях пластичности П и ТИХ. В сварном шве, при кристаллизации которого возникает темп деформации, характеризуемый кривой 1, при температуре Т₁ появится трещина, т.к. в этот момент значение деформации превысит значение пластичности соединения в ТИХ. Для соединения, темп деформаций которого обозначен кривой 2, точка касания при температуре _Т2 будет критической. Сплав, характеризуемый кривой 3, трещины не образует; более того он имеет еще некоторый запас пластичности ΔП. Т.о., чем меньше темп деформации в ТИХ, тем меньше вероятность образования горячих трещин.

Значения пластичности П и характер ее изменения в ТИХ зависят от химического состава сплава, схемы кристаллизации сварного шва, развития физической и химической неоднородности и др. факторов, значение и степень влияния которых существенно зависят от методов, приемов сварки, применяемых режимов и т.п. Значения ТИХ, так же, как и значение минимальной пластичности, зависят от многих факторов, поддающихся управлению. Главные из них – химический состав свариваемых материалов и применяемых присадочных проволок, покрытия электродов, флюсы, режим сварки, определяющий форму шва, схему кристаллизации и процессы структурообразования в металле шва и околошовной зоне, размер зерна, характер и интенсивность протекания ликвационных и сегрегационных процессов и др. Темп деформации, характеризуемый наклоном кривой е к оси температур и кривизной самой кривой, зависят от усадки сплава и деформации в околошовной зоне. Деформация в сварном шве, обусловленная кристаллизационными и структурными процессами при остывании, распределяется по сечению весьма неравномерно: участки шва с более высокими температурами и, вследствие этого, менее прочные деформируются сильнее, чем участки, прилегающие к зоне сплавления и охлаждающиеся более интенсивно. Такое неравномерное распределение деформаций в сварном шве и ТИХ иногда называют концентрацией деформаций.

Горячие трещины по температуре  возникновения, подразделяют на:

1) кристаллизационные, возникающие в области температур солидуса;

2) подсолидусные, температура образования которых ниже температуры процесса окончания затвердевания.

По расположению в сварном соединении различают:

1) горячие трещины в шве;

2) в зоне сплавления;

3) в околошовной зоне.

Также в зависимости от ориентации трещин относительно направления сварки их делят на:

1) продольные;

2) поперечные.

Во всех случаях вероятность образования горячих трещин определяется соотношением пластических свойств соединений в ТИХ и темпом деформаций. Однако степень влияния отдельных технологических и металлургических факторов для каждого вида может существенно различаться вследствие неодинаковости условий формирования физической и химической неоднородности в различных зонах сварного соединения. Особенно следует отметить трещины повторного нагрева, образующиеся при многослойной сварке в ранее наложенных валиках в результате термодеформационного воздействия от сварки последующих слоев.

Кристаллизационные трещины образуются, как правило, в сварном шве  и реже в зоне полуоплавленных  зерен. Подсолидусные трещины возникают  в интервале температур второго  минимума пластичности, расположенного ниже температуры солидуса. Сварной шов из-за неравновесного процесса кристаллизации пересыщен дефектами кристаллической решетки, в т.ч. и вакансиями, которые при растяжении активно перемещаются к границам, расположенным перпендикулярно действующим усилиям. Такие скопления вакансий обычно сильно ослабляют границы и создают предпосылки для возникновения зародышей разрушения. Необходимые условия для возникновения разрушения – межзеренная деформация или проскальзывание, возникающие как следствие воздействия термодеформационного цикла сварки. О наличии такого вида деформации свидетельствует смещение кристаллизационных слоев, наблюдаемое на поверхности сварных швов. Смещения нередко сопровождаются значительной пластической деформацией в пограничных областях. Если по границам зерен существует скопление вакансий, микропор, примесей (особенно примесей внедрения), поверхностная энергия, необходимая для зарождения трещины, при межзеренном проскальзывании уменьшается. В том случае, если граничная диффузия проходит энергично, то полости, образующиеся по границам зерен, быстро заполняются и межзеренного разрушения не происходит.

Преимущественные места зарождения подсолидусных трещин – ослабленные  включениями и несовершенствами строения границы кристаллитов, где  межзеренные проскальзывания наиболее ярко выражены. Чаще всего это участки, примыкающие к зоне сплавления, и поперечные границы зерен в центре шва. С увеличением размеров зерна увеличивается и проскальзывание, а следовательно, вероятность образования горячей трещины. Добавки в металл легирующих элементов, как правило, увеличивают сопротивление движению вакансий и дислокаций к границам зерен и снижают вероятность образования горячих трещин.

Случаи возникновения горячих  трещин в процессе изготовления сварных  конструкций привели к появлению множества методов оценки сопротивляемости применяемых сварочных материалов их образованию. Их можно разделить на следующие основные группы:

1) методы, позволяющие получать сравнительную количественную оценку применяемых сварочных материалов. Как правило, они предусматривают принудительное деформирование сварных соединений по заданной программе в процессе их формирования;

2) технологические пробы различной жесткости. В этом случае величина деформации в ТИХ задается типом опытной свариваемой конструкции, ее размерами, последовательностью выполнения швов и т.п.;

3) косвенные методы оценки технологической прочности по результатам механических испытаний образцов, проводимых при нагреве или охлаждении их по заданной программе, имитирующей сварочный термический цикл.

Для повышения сопротивляемости сварных  соединений образованию горячих  трещин необходимо в процессе производства стремиться к такому их сочетанию  свойств в ТИХ, технологических  приемов и способов сварки, а также  такому конструктивному оформлению узлов, которое обеспечивали бы при минимальных значениях деформации формоизменения максимальный уровень показателя α_п–α_св (α_п – предельный темп деформации, характеризующий пластичность систем в ТИХ, α_св = ). Для этого необходимо стремиться к уменьшению интервала хрупкости, увеличению пластичности в ТИХ и снижению темпа деформации.

Все известные способы повышения  технологической прочности в  конечном итоге сводятся к следующим  основным:

1) изменение химического состава металла шва;

2) выбор оптимального режима сварки;

3) применение рационального типа конструкции и порядка наложения сварных швов.

Химический состав металла шва  – один из главных факторов, в  значительной мере определяющих значения ТИХ, δ_min и в значительной степени интенсивность нарастания деформации усадки. Сварка плавлением представляет большие возможности регулирования состава шва, а в некоторой части – и состава зоны сплавления. При сварке с применением присадочного материала (РДС, сварке под слоем флюса, в аргоне и др.) химический состав металла шва и особенности его кристаллизации определяются долей участия основного и присадочного металла и схемой кристаллизации, зависящей как от условий затвердевания и химического состава, так и от структуры основного металла, служащего подложкой, на которой кристаллизуется шов.

Эффективным средством повышения  технологической прочности является снижение содержания вредных примесей (серы, фосфора, по возможности углерода), а также дополнительное легирование, способствующее связыванию серы и фосфора в тугоплавкие соединения.

Большое влияние оказывает характер структуры, образующейся при кристаллизации. Благоприятной, например, считается  дендритная равноосная. Для ее получения  прибегают к модифицированию  сварных швов редкоземельными, тугоплавкими или поверхностно-активными элементами. Иногда применяется внешнее воздействие на кристаллизующийся металл шва – электромагнитное или ультразвуковое перемешивание, механические колебания ванны в процессе кристаллизации и др. для создания условий, способствующих переходу от плоской схемы кристаллизации к объемной иногда прибегают ко введению в сварочную ванну дополнительного холодного металла в виде проволоки или металлической крупки того же состава, что и свариваемый металл. Введение охлаждающей присадки создает в ванне зону термического переохлаждения и способствует получению объемной схемы кристаллизации. Высокопрочные, высоколегированные стали больше подвержены образованию горячих трещин, чем обычные конструктивные. Это можно объяснить большей направленностью кристаллитной структуры в шве, увеличенной осадкой, многокомпонентным легированием, способствующим образованию эвтектических составляющих по границам зерен. Для повышения технологической прочности таких сплавов, кроме очень жесткого ограничения содержания вредных примесей часто прибегают к дополнительному легированию молибденом, марганцем, вольфрамом, а также внедрением в шов некоторого количества модификаторов, способствующих измельчению структуры. В отдельных случаях технологическую прочность можно повысить изменением фазового состава металла шва.

Влияние режима сварки на сопротивляемость образованию горячих трещин весьма велико вследствие следующих причин: режим сварки представляет собой  главный фактор, определяющий форму шва, характер и схему кристаллизации и, кроме того, в значительной мере определяет время пребывания металла шва и околошовной зоны в области высоких температур, при которых происходит не только формирование структуры, но и протекание процессов, приводящих к появлению физической и химической неоднородности. Мягкие режимы способствуют протеканию равновесной кристаллизации, зона столкновения противоположных фронтов кристаллизации выражена слабее, уменьшается концентрация деформаций. В то же время более равновесные условия кристаллизации обеспечивают протекание диффузионных процессов в околошовной зоне и шве, благоприятствуют развитию межзеренной и зональной ликвации. В целом, возникающие деформации воспринимаются кристаллизующимся швом более равномерно. В реальных условиях для уменьшения вероятности образования трещин часто применяют режимы, отличающиеся малыми скоростями и большим током. Иногда рекомендуется предварительный подогрев, однако результаты в этом случае не всегда оказываются положительными, т.к. большое тепловложение при незначительной жесткости конструкции может вызвать дополнительные деформации формоизменения. Из всех параметров режима особенно заметное влияние оказывает скорость сварки. С ее увеличением возрастает длина сварочной ванны, фронт кристаллизации приобретает плоский характер, образуя на оси шва зону срастания кристаллитов. Такой шов малопластичен в ТИХ и, вследствие этого, подвержен образованию продольных трещин в осевой зоне. Также важным является правильное конструирование сварных узлов и грамотно назначенный порядок наложения сварных швов. Все эти факторы определяют значение деформации в ТИХ и поэтому влияют на сопротивляемость сварных соединений образованию горячих трещин, оказывая комплексное влияние как на формирование структуры, ее макро- и микронеоднородность, так и на развитие термодеформационных процессов при сварке.