Холодные трещины в сварных соединениях. Механизм образования трещин в ЗТВ

Холодные трещины образуются по окончании сварки или после наложения отдельных слоев (валиков) шва, когда темпера­тура в зоне сварного соединения оказывается ниже 150~250°С. Трещины возникают преимущественно в зоне термического вли­яния и реже — в металле шва сталей, имеющих после сварки за­калочные структуры. При этом трещины могут появляться по ис­течении некоторого времени после остывания сварного соедине­ния и затем медленно, на протяжении нескольких часов и даже суток, распространяться в металле. По своему расположению трещины могут быть продольными и поперечными, не всегда вы­ходить на поверхность, закрытыми и небольшой протяженности. Холодные трещины отличаются от горячих, прежде всего тем, что они неокисленные, менее разветвленные и менее раскрытые.

Механизм образования холодных трещин можно описать сле­дующим образом. В процессе охлаждения металла после сварки в зоне термического влияния закаливающихся сталей образуются в заметном количестве структуры мартенсита и бейнита[1], а также сложное напряженное состояние, обусловленное суммированием сварочных и структурных напряжений. Такие закалочные струк­туры, особенно на участке перегрева, отличаются хрупкостью и, как следствие, низкой сопротивляемостью раскрытию и распро­странению трещин. Известно, что критическое напряжение, тре­буемое для развития и вывода из «зародышевого» состояния тре­щины, у хрупких и малопластичных металлов в несколько раз меньше, чем у материалов, способных к пластической деформа­ции. Таким образом, структура сварного соединения, содержащая в зоне термического влияния хрупкую фазу, готова к восприятию и развитию трещин в случае их зарождения и образования в ме­стах залегания фазы.

Одновременно с формированием закалочных структур и рас­тягивающих напряжений в процессе сварки происходит насыще­ние расплавленного металла водородом, являющимся продуктом разложения попадающей в зону сварки влаги. В зависимости от типа и марки применяемых электродов и условий сварки концен­трация диффузионного водорода в металле шва составляет от 1 до 40 мл/100 г (в основном металле диффузионной водород практически отсутствует). В результате перемещения диффузи­онного водорода из металла шва в основной металл его содержа­ние в зоне термического влияния вблизи линии сплавления ока­зывается повышенным. Здесь диффузионный водород, попадая в микропустоты, которыми могут быть дислокационные узлы и другие несовершенства кристаллического строения металла, по­верхности частиц твердых включений и второй фазы (карбидов, нитридов, сульфидов и пр.), выделяется из раствора и превраща­ется из атомарного в молекулярный. Вследствие постоянного дальнейшего притока диффундирующего водорода в пустоты об­разуется водородный «пузырь», давление в котором с течением времени повышается и может достигать столь больших величин, при которых «пузырь» надрывается и дает начало локальной тре­щине (давление молекулярного водорода в «пузыре» при нор­мальной температуре может достигать нескольких тысяч мегапас- калей). Зарожденная водородным «пузырем» трещина в случае ее образования в хрупких напряженных закалочных структурах по­лучает свое развитие в благоприятных для этого условиях и мо­жет распространяться в холодном металле вплоть до выхода на поверхность.

Из изложенного становится очевидным, что для образования холодных трещин в сварном соединении должны существовать следующие условия:

- в зоне термического влияния (или металле шва) при ох­лаждении должны образовываться хрупкие закалочные структуры (мартенсит, бейнит), чувствительные к водороду;

- в зоне сварного соединения должен быть определенный минимум диффузионного водорода, источником которого является главным образом металл шва;

- на участке сварного соединения должны действовать рас­тягивающие остаточные напряжения.