Холодные трещины

К холодным относят трещины, появление которых фиксируется или при относительно умеренных температурах (значительно ниже температур горячей обработки), или при комнатной и более низкой температуре. Другой отличительной чертой холодных трещин является их задержанное зарождение и замедленное развитие. Они могут возникать по истечении некоторого времени после окончания наплавки и затем медленно, на протяжении нескольких часов и даже суток, распространяться в металле. Наиболее часто при наплавке наблюдаются околошовные холодные трещины.

Холодные трещины могут образовываться при наплавке сталей и чугунов, отличающихся по характеру и уровню легирования, относящихся к разным структурным классам и различных по прочности и назначению:

- углеродистых конструкционных сталей, содержащих более 0,4% углерода;

- низколегированных и легированных конструкционных сталей перлитного, бейнитного и мартенситного классов (типа 15ХСНД, 30ХГСА, 38ХГН, 38ХН3МА, 35Х3Н3М и др.);

- высоколегированных сталей ферритного, мартенситно-ферритного и мартенситного классов (типа 10Х17Т, 15Х25Т, 20Х13, 12Х13Н2МАФ, 15Х13Н2Г2БТ, 35В9Х3СФ и др.);

- сталей ледебуритного класса и высоколегированных чугунов (типа 200Х12М, 200Х6Т4, 300Х25Н3С3 и др.).

Основными факторами, определяющими возникновение и развитие холодных трещин в сварных соединениях, являются закалочные явления, суммарные сварочные напряжения и напряжения от внешних нагрузок, а также водород.

Наиболее простой и эффективный способ борьбы с холодными трещинами заключается в регулировании термического цикла наплавки путем выбора соответствующих методов и режимов наплавки, а также в использовании в необходимых случаях предварительного подогрева и замедленного охлаждения после наплавки.

Идеальный термический цикл, обеспечивающий наивысшую стойкость против образования холодных трещин, должен обеспечить быстрый нагрев и охлаждение металла при температурах выше точки Ас₁ и медленное охлаждение при температурах ниже этой точки. Быстрый нагрев и охлаждение при температурах выше точки Ас₁ должен исключить перегрев металла, а медленное охлаждение при температурах ниже этой точки устраняет мартенситное превращение или смещает его в область высоких температур. При этом наблюдается самоотпуск мартенсита, повышается пластичность металла, затрудняется возникновение и развитие холодных трещин.

При наплавке углеродистых сталей наиболее простой и эффективной мерой для предупреждения холодных трещин являются предварительный подогрев и замедленное охлаждение после наплавки. Температура подогрева приближенно определяется в зависимости от химического состава наплавленного или основного металла и толщины наплавляемой детали:

где – углеродный эквивалент, %; C, Cr, Mn, Ni, Mo – содержание химических элементов в стали, %; δ – толщина наплавляемой детали, мм;.

Хорошие результаты дает наплавка, двумя дугами. При этом первая дуга обеспечивает своеобразный подогрев основного металла и способствует предупреждению трещин.

Учитывая вредное влияние водорода, необходимо всеми мерами снижать его содержание в наплавленном металле в зоне термического влияния. Этого можно добиться, прежде всего, за счет применения наплавочных материалов с максимально низким содержанием водорода.

Поры

Порами называют заполненные газом полости в наплавленном металле.

Выходящие на поверхность наплавленного металла поры (свищи) выявляют внешним осмотром. Поры, не выходящие на поверхность, выявляют просвечиванием рентгеновскими или гамма-лучами и ультразвуком.

Поры образуются, если в период кристаллизации сварочной ванны происходит сильное газообразование, и пузырьки газов не успевают удалиться из ванны. Газовыделение из металла происходит либо в связи с выделением из раствора пересыщающих его газов, в основном, водорода и азота, либо в связи с химическими реакциями в расплавленном металле, при которых продуктами реакции являются газы, в основном, оксид углерода.

Для борьбы с порами необходимо ограничить поступление в атмосферу дуги, а из нее в сварочную ванну, водорода и азота, улучшить раскисленность сварочной ванны для ограничения образования оксида углерода.

Водород поступает в атмосферу дуги из влаги, ржавчины и других загрязнений, находящихся на поверхности наплавляемого и присадочного металлов, из защитного газа или из материалов, входящих в состав покрытия электродов, шихты порошковых проволок и лент или флюса. Ограничить поступление водорода можно зачисткой наплавляемого металла от всех загрязнений, наплавочные материалы необходимо надежно упаковывать и хранить в сухом помещении, перед наплавкой эти материалы должны быть просушены и прокалены в соответствии с требованиями технической документации.

Еще одна мера борьбы с водородной пористостью в наплавленном металле – снижение парциального давления водорода и водяного пара за счет связывания водорода в термически стойкий нерастворимый в металле фторид водорода (НF). Для этого в состав шихты наплавочных порошковых проволок и лент вводится кремнефтористый натрий, а в покрытие электродов – плавиковый шпат (CaF₂).

Азот поступает в сварочную ванну из окружающей атмосферы, а также из основного металла и наплавочных материалов. Чтобы ограничить доступ азота к сварочной ванне, необходимо применять надёжную газовую или шлаковую защиту. Кроме того, содержание азота в основном металле и в наплавочных материалах не должно превышать допустимых пределов. Для связывания азота в стойкие нитриды можно также применять легирование наплавленного металла титаном, алюминием, цирконием и другими нитридообразующим и элементами.

Чтобы избежать пористости от оксида углерода, в сварочную ванну вводят элементы с высоким сродством кислороду, образующее жидкие или твёрдые оксиды, количество растворенного в жидком металле кислорода будет тем меньше, чем выше химическое сродство кислороду данного элемента и больше его концентрация в расплаве. Наиболее сильными раскислителями являются титан, алюминий, кремний. При достаточной их концентрации основные реакции раскисления будут происходить за счёт этих элементов, и образование оксида углерода может быть в значительной мере подавлено.

Уменьшить вероятность образования пор можно также за счёт технологических факторов. Опытным путём установлено, что минимальное количество пор образуется при прямой полярности. Большое значение имеет скорость кристаллизации сварочной ванны. При её увеличении растёт вероятность того, что пузырьки газов не успевают всплыть и образуются поры. По этой причине увеличение скорости наплавки и снижение тока наплавки увеличивает пористость.

При наплавке самозащитными порошковыми проволоками появление пор зависит от напряжения дуги. Увеличение напряжения ухудшает защиту сварочной ванны от азота воздуха, и в наплавленном металле появляются поры.

Некоторое значение для удаления газов имеет форма ванны, из широкой и мелкой ванны газы удалить легче и быстрее, чем из глубокой и узкой.