Анализ четырех распространенных трещин при сварке стальных труб.

Сварка трещин

Самый распространенный серьезный дефект сварных деталей. Под совместным действием сварочного напряжения и других хрупких факторов сила связи атомов металла в локальных участках сварного соединения разрушается, в результате чего образуется новый межфазный зазор. Он имеет острые вырезы и большое соотношение сторон. По условиям образования их можно разделить на четыре категории: горячие трещины, холодные трещины, трещины повторного нагрева и слоистые разрывы.

Сначала холодные трещины

Холодные трещины образуются во время или после сварки при более низкой температуре, примерно близкой к температуре мартенситного превращения (т. е. точке Ms) стали, или ниже 300–200°C (или T<0,5Tm, Tm — температура плавления, выраженная в абсолютная температура), поэтому ее называют холодными трещинами. Холодные трещины можно разделить на замедленные трещины, закалочные трещины и малопластичные хрупкие трещины.

(I) Условия образования: Сварное соединение образует закаленную структуру. Из-за высокой склонности стали к закалке в процессе охлаждения образуется большое количество хрупкого, твердого и крупного мартенсита, образующего большое внутреннее напряжение. Тенденция к упрочнению соединений: Ключевое значение имеет влияние углерода. Чем больше содержания углерода и хрома, тем толще пластина, чем больше площадь поперечного сечения и чем меньше подвод тепла, тем тяжелее закалка.

Сталь и сварные швы содержат больше диффузионного водорода. Атомы водорода накапливаются (концентрируются) на дефектах (дырках, дислокациях), образуя молекулы водорода. Объем молекул водорода больше, чем объем атомов водорода, и они не могут продолжать диффундировать. Они продолжают накапливаться, создавая огромное давление молекул водорода, достигающее даже десятков тысяч атмосфер, вызывая растрескивание сварного соединения. Во многих случаях водород является наиболее активным фактором возникновения холодных трещин.

Трещины возникают, когда сварочное растягивающее и сдерживающее напряжение велико (или концентрация напряжений) и превышает предел прочности соединения.

(II) Причины: Его можно разделить на два аспекта: выбор материала и процесс сварки.

1. Выбор материала

(1) Неправильное соответствие основного материала и сварочного материала, что приводит к огромной разнице в прочности;

(2) Материал содержит слишком много элементов, таких как углерод, хром, молибден, ванадий и бор, что повышает чувствительность стали к закалке.

2. Процесс сварки

(1) Сварочный стержень не полностью высох, и в покрытии имеется влага (свободная вода и кристаллическая вода); на канавке сварочного материала и основного материала имеется масло, ржавчина, вода, краска и т. д.; влажность окружающей среды слишком высокая (>90%); канавка загрязняется дождем и снегом. Вышеуказанная влага и органические вещества разлагаются под действием сварочной дуги с образованием H, вызывая растворение перенасыщенного водорода в сварном шве.

(2) Температура окружающей среды слишком низкая; скорость сварки слишком высокая; энергия сварочной линии слишком мала. Это приведет к слишком быстрому охлаждению области сустава, что приведет к большому внутреннему напряжению.

(3) Неправильная конструкция сварки, приводящая к сильному удерживающему напряжению.

(4) В месте точечной сварки уже возникли трещины, но они не были устранены при сварке; точки концентрации напряжений, такие как подрезы, вызывают трещины на краях сварных швов; точки концентрации напряжений, такие как неполное проплавление, вызывают трещины в корне сварного шва; Точки концентрации напряжений, такие как шлаковые включения, вызывают появление трещин в сварном шве.

(III) Методы профилактики: Она может начинаться с двух аспектов: выбора материала и процесса сварки.

1. Правильный выбор материала

Использовать базовые низководородные сварочные прутки и флюсы для снижения содержания диффузионного водорода в металле шва; выбрать и сопоставить основной материал и сварочный материал; если позволяют технические условия, выбирайте материалы с хорошей ударной вязкостью (например, сварочные материалы более низкого класса прочности) или используйте «мягкое» покрытие для уменьшения остаточных напряжений на поверхности; при необходимости перед изготовлением проведите химический анализ, определение механических свойств, свариваемости и чувствительности к растрескиванию основного материала и сварочного материала.

2. Процесс сварки

(1) Строго выполняйте сварочные операции в соответствии с правильными технологическими спецификациями, полученными в результате испытаний. В основном включает в себя: строгую сушку сварочного стержня в соответствии со спецификациями; выбор соответствующих характеристик сварки и энергии линии, разумного тока, напряжения, скорости сварки, температуры промежуточного слоя и правильной последовательности сварки; проверка и обработка точечной сварки; очистка двухсторонней сварки и т.п.; Тщательно очистите канавку и сварочную проволоку от масла, ржавчины и влаги.

(3) Выберите подходящую сварочную конструкцию, чтобы избежать чрезмерного удерживающего напряжения; правильная форма пазов и последовательность сварки; и уменьшить пиковое значение остаточного напряжения при сварке.

(4) Предварительный нагрев перед сваркой, медленное охлаждение после сварки, контроль межслойной температуры и послесварочная термообработка являются эффективными методами предотвращения холодных трещин в высокопрочных сталях с плохой свариваемостью и неизбежными конструкциями с высокими ограничениями. Предварительный нагрев и медленное охлаждение могут замедлить скорость охлаждения (увеличить время выдержки на △t 800-500 ℃), улучшить микроструктуру соединения, уменьшить тенденцию к затвердеванию и уменьшить напряжение микроструктуры; Послесварочная термообработка позволяет устранить остаточные сварочные напряжения и снизить содержание диффузного водорода в сварном шве. В большинстве случаев термообработку для снятия напряжений следует проводить сразу после сварки.

(5) Удар молотком сразу после сварки для рассеивания остаточных напряжений и предотвращения зон с высоким напряжением является одним из эффективных методов предотвращения холодных трещин во время локальной ремонтной сварки.

(6) В корне сварного шва и на поверхности сварного шва, где напряжение относительно сконцентрировано (зона термического влияния подвергается меньшему давлению), использование электродов с более низким уровнем прочности часто позволяет достичь хороших результатов при сильном натяжении.

(7) Сварка в среде инертного газа позволяет максимально контролировать содержание водорода в сварном шве и снизить чувствительность к холодным трещинам, поэтому следует активно продвигать сварку TIG и MIG.

Во-вторых, послойный разрыв

Слоистый разрыв — это особая форма холодного растрескивания. В основном это связано с наличием в стальном листе слоистых (вдоль направления прокатки) включений (особенно сульфидов). Под действием растягивающего напряжения, перпендикулярного направлению прокатки (направлению толщины листа), возникающего при сварке, в зоне термического влияния или несколько дальше в зоне термического влияния образуются слоистые трещины ступенчатого типа, параллельные прокатываемой поверхности основного материала. стальная пластина. Встречается в угловых сварных соединениях толстых листов Т-образной и К-образной формы.

Улучшение качества стальных листов, уменьшение слоистых включений в стали, а также принятие мер с точки зрения конструктивного проектирования и технологии сварки по снижению сварочных растягивающих напряжений в направлении толщины листа позволяют предотвратить послойный разрыв. Перед сваркой толстых листов проводят ультразвуковой контроль и контроль проплавления пластин для проверки слоистых включений. При наличии слоистых включений старайтесь их избегать или заранее отремонтируйте или отшлифуйте.

В-третьих, термические трещины

Термические трещины образуются при высоких температурах, от диапазона температур затвердевания до температур выше А3, поэтому их называют термическими трещинами, также известными как высокотемпературные трещины.

Если в материале больше легкоплавких эвтектических примесных элементов (P, S, C и т. д.) и больше дефектов решетки, то в процессе кристаллизации сварочной ванны вероятно возникновение зернограничной сегрегации. Выделяющиеся вещества представляют собой в основном легкоплавкие эвтектики (такие как FeS-Fe, Fe3P-Fe, NiS-Ni, Ni3P-Ni) и примеси. Они существуют в промежуточном слое жидкости в процессе кристаллизации, образуя жидкую пленку с очень низким сопротивлением деформации. Соответствующая жидкая фаза существует более длительное время и, наконец, кристаллизуется и затвердевает. Прочность после затвердевания также крайне низка. Когда сварочное растягивающее напряжение достаточно велико, жидкая прослойка будет разрываться или вскоре после затвердевания разрушаться с образованием трещин.

Кроме того, при наличии легкоплавких эвтектик и примесей на границах зерен исходного материала эти легкоплавкие эвтектики будут плавиться в жидкие прослойки в зоне термического влияния при температуре нагрева, превышающей температуру их плавления. Когда сварочное растягивающее напряжение будет достаточно большим, они также будут растягиваться с образованием жидкостных трещин в зоне термического влияния.

Все горячие трещины растрескиваются по границам зерен аустенита и имеют зубчатую форму, поэтому их еще называют межзеренными трещинами. Они часто появляются в середине сварного шва, особенно в дуговой яме. Большинство из них находится на стыке столбчатых кристаллов шва, т. е. в конечном положении затвердевания шва, которое также является местом, наиболее вероятно вызывающим легкоплавкую эвтектическую сегрегацию; некоторые появляются в зоне термического влияния. Продольные трещины в сварном шве обычно возникают в центре сварного шва, параллельно его длине; Поперечные трещины обычно возникают вдоль столбчатых границ зерен и соединяются с границами зерен основного материала перпендикулярно длине сварного шва. При проникновении трещины в поверхность и сообщении с воздухом поверхность излома окисляется (например, сине-серого цвета и т. д.), а некоторые макротрещины на поверхности шва заполняются шлаком.

(I) Причины возникновения

1. Выбор материала: избыточное содержание серы в материале приводит к «горячей хрупкости»; чрезмерное содержание меди приводит к «ломкости меди»; чрезмерное содержание фосфора приводит к «хладноломкости».

2. Процесс сварки: нержавеющая сталь на основе никеля, неправильная последовательность сварки или слишком высокая межслойная температура, чрезмерное тепловложение, слишком медленная скорость охлаждения; неправильная форма разделки (узкий и глубокий шов с коэффициентом формы шва ψ=b/h≤1), однослойная однопроходная сварка склонна к образованию сегрегационных трещин в центре шва; плохая защита дугогасительной дуги из-за сегрегации, склонны к образованию горячих трещин; Многократный ремонт приведет к агрегированию дефектов решетки и образованию полигональных горячих трещин.

(II) Методы предотвращения

Поскольку возникновение горячих трещин связано с факторами напряжения, методы профилактики также следует начинать как с выбора материала, так и с процесса сварки.

1. Выбор материала

1. Ограничить содержание элементов и вредных примесей, склонных к сегрегации, в стали и сварочных материалах, особенно содержание S, P и C, поскольку они не только образуют легкоплавкие эвтектики, но и способствуют сегрегации. C≤0,10% Чувствительность горячего растрескивания может быть значительно снижена. При необходимости следует провести химический анализ и маломощную проверку (например, серную печать и т. д.) материала.

(2) Отрегулировать химический состав металла сварного шва, улучшить структуру, измельчить зерна, улучшить пластичность, изменить форму и распределение вредных примесей, а также уменьшить сегрегацию, например, используя двухфазную структуру аустенита плюс менее 6% феррита.

(3) Увеличьте основность сварочного прутка и флюса, чтобы уменьшить содержание примесей в сварном шве и улучшить степень сегрегации.

2. Процесс сварки

(1) Выберите разумную форму канавки, коэффициент формирования сварного шва ψ=b/h＞1, избегайте узких и глубоких швов «грушевидной формы», не допускайте встречи столбчатых кристаллов в центре сварного шва, создайте центральную сегрегацию и форму хрупкий перелом; использовать многослойную и многопроходную сварку для нарушения сегрегации-агрегации. Стоит отметить, что чрезмерный сварочный ток также приведет к образованию «грушевидного» сварного шва.

(2) Характеристики контрольной сварки:

а. Используйте меньшую (подходящую) энергию сварочной линии. Для аустенитной нержавеющей стали (на основе никеля) используйте как можно меньшую энергию сварочной линии (без предварительного нагрева, без качания или меньшего качания, быстрая сварка, малый ток) и строго контролируйте температуру между слоями, чтобы сократить время пребывания сварочной линии. металл шва в высокотемпературной зоне; б. Обратите внимание на защиту при замыкании дуги, закрывайте дугу медленно и заполняйте ямку дуги, чтобы предотвратить сегрегацию ямки дуги и термические трещины;

в. По возможности избегайте многократного ремонта, чтобы предотвратить агломерацию дефектов решетки и образование полигональных термических трещин;

д. Примите меры для минимизации напряжений в соединениях, предотвращения концентрации напряжений и снижения жесткости вблизи сварного шва. Правильно организуйте последовательность сварки и старайтесь, чтобы большинство сварных швов было сварено с меньшей жесткостью, чтобы дать им возможность дать усадку.

В-четвертых, разогрейте трещины

Трещины повторного нагрева относятся к сварным соединениям некоторых низколегированных высокопрочных сталей и жаропрочных сталей, содержащих легирующие элементы, такие как ванадий, хром, молибден и бор. В процессе нагрева (например, при отжиге для снятия напряжений, многослойной многопроходной сварке, высокотемпературных работах и ​​т. д.) они возникают в крупнозернистой зоне зоны термического влияния и растрескиваются по исходному аустениту. границы зерен. Их также называют трещинами отжига для снятия напряжений (трещины SR).

Трещины повторного нагрева возникают из крупнозернистой зоны зоны термического влияния сварного шва и имеют характеристики зернограничного разрушения, причем большинство трещин возникает в зоне концентрации напряжений.

Профилактические меры

1. При выборе материалов следует обращать внимание на карбидообразующие элементы, способные вызывать выделения, особенно на содержание V. При необходимости использования стали с высоким содержанием V особое внимание следует уделять сварке и термообработке.

2. Избегание участков, чувствительных к повторному нагреву, во время термообработки может снизить вероятность образования трещин при повторном нагреве. При необходимости перед термообработкой следует провести испытания процесса термообработки.

3. Свести к минимуму остаточное напряжение и концентрацию напряжений, уменьшить избыточную высоту, устранить подрезы, непровары и другие дефекты, а также отшлифовать избыточную высоту и приварку для сглаживания при необходимости; увеличьте температуру предварительного нагрева, замедлите охлаждение после сварки и уменьшите остаточное напряжение.

4. Соответствующая энергия линии для предотвращения перегрева зоны термического влияния и крупных зерен.

5. При условии соответствия проектным требованиям выберите сварочный стержень с более низким классом прочности, чтобы снять часть напряжений, устраняемых в процессе термообработки, чтобы напряжение было ослаблено в сварном шве, что полезно для уменьшения трещин при повторном нагреве. .