Внутренние дефекты

Образование внутренних дефектов при сварке связано с металлургическими, термическими и гидродинамическими явлениями, происходящими при формировании сварного шва.

К внутренним дефектам относятся трещины (горячие и холодные), непровары, поры, шлаковые вольфрамовые и окисные включения. Эти шесть основных видов дефектов следует различать в соответствии с ГОСТ 23055—78. Они также совпадают с основными группами дефектов согласно рекомендациям СЭВ по стандартизации РС 2192—82.

Трещины — дефекты сварных швов, представляющие собой макроскопические и микроскопические межкристаллические разрушения, образующие полости с очень малым начальным раскрытием. Под действием остаточных и рабочих напряжении трещины могут распространяться с высокими скоростями. Поэтому вызванные ими хрупкие разрушения происходят почти мгновенно и очень опасны.

В зависимости от температуры, при которой происходит их возникновение, различают горячие и холодные трещины.

Горячие трещины представляют собой разрушения кристаллизующегося металла, происходящие по жидким прослойкам под действием растягивающих напряжений. Эти напряжения появляются вследствие несвободной усадки металла шва и примыкающих к нему неравномерно нагретых участков основного металла.

Образование горячих трещин связано с совокупным действием двух факторов. По мере кристаллизации сокращается количество жидкой фазы, что приводит к уменьшению деформационной способности сплава. Кроме того, в температурном интервале хрупкости (ТИХ) пластические свойства сплава наиболее низки. Кристаллизационные трещины образуются, если пластическая деформация за время пребывания металла в ТИХ превзойдет пластичность сплава в этом интервале температур.

Характерным для горячих трещин является межкристаллитный вид разрушения, развивающегося по границам зерен при наличии между ними жидкой прослойки или за счет межзеренного проскальзывания, происходящего при повышенных температурах после окончания процесса кристаллизации.

Горячие трещины могут возникать как в основном металле, так и в металле зоны термического влияния. Они могут быть продольными, поперечными, продольными с поперечными ответвлениями, могут выходить на поверхность или оставаться скрытыми. Вероятность образования горячих трещин зависит от химического состава металла шва, скорости нарастания и величины растягивающих напряжений, формы сварочной ванны и шва, размера первичных кристаллитов. Она увеличивается с повышением содержания в металле шва углерода, кремния, никеля, вредных примесей серы и фосфора. Повышению стойкости сварных швов, образованию горячих трещин способствуют марганец, хром и отчасти кислород, а также снижение величины и скорости нарастания растягивающих напряжений, что достигается уменьшением жесткости узлов, применением способа сварки с оптимальным термическим циклом, например, сварки с ППМ (крупка), использованием специальных технологических приемов, таких как предварительный подогрев и т.п. Влияние коэффициента формы шва на вероятность образования горячих трещин не однозначно. При значениях коэффициента формы шва менее 1,8 и более 10 сопротивляемость возникновению горячих трещин понижается даже при относительно невысоком содержании углерода.

Холодные трещины образуются чаще всего в зоне термического влияния, реже в металле шва сварных соединений среднелегированных и высоколегированных сталей перлитного и мартенситного классов. Появление холодных трещин объясняют действием комплекса причин. Одна из них — влияние высоких внутренних напряжений, возникающих в связи с объемным эффектом, сопутствующим мартенситному превращению, происходящему в условиях снижения пластичности металла. Поэтому холодные трещины наблюдаются как при температурах распада остаточного аустенита (120 °С и ниже), так и при комнатной температуре через несколько минут, часов, а иногда и через более длительное время после окончания сварки. Высокие внутренние напряжения могут также развиваться вследствие адсорбции растворенного в металле водорода на поверхностях внутренних дефектов и накопления его в микронесплошностях. Возникновение холодных трещин связывают также с замедленным разрушением металла под действием напряжений, которые согласно схеме Зинера накапливаются по границам зерен, перпендикулярным направлению действия нормальных напряжений.

Непровары — это участки сварного соединения, где отсутствует сплавление между свариваемыми деталями, например, в корне шва, между основным и наплавленным металлом (по кромке) или между смежными слоями наплавленного металла.

Поверхности непроваров обычно покрыты тонкими окисными пленками и другими загрязнениями. Очень часто полости, образованные непроварами, заполняются шлаком. Окончания непроваров в металле шва

или на границе сплавления,.как правило, имеют очень малое раскрытие. Непровары уменьшают рабочее сечение сварного шва, что может привести к снижению работоспособ­ности сварного соединения. Являясь концентраторами напряжении непровары могут вызвать появление трещин, уменьшить коррозионную стойкость сварного соедине­ния, привести к коррозионному растрескиванию.

Непровары могут быть вызваны многими причинами: малым углом раскрытия кромок, малым зазором, боль­шим притуплением при недостаточной силе тока; боль­шой скоростью сварки; смещением электрода от оси шва, особенно при сварке двухсторонних швов; плохой очист­кой шлака перед наложением последующих слоев; излиш­ним количеством ППМ при недостаточной силе тока при большой скорости сварки; низкой квалификацией свар­щика.

Непровар является очень опасным дефектом сварки.

Поры — это полости в металле шва, заполненные га­зами. Обычно они имеют сферическую или близкую к ней форму. В сварных швах углеродистых сталей норм зачастую имеют трубчатую форму. Первоначально, воз­никнув в жидком металле шва за счет интенсивного га­зообразования, по все пузырьки газа успевают поднять­ся па поверхность н выйти в атмосферу. Часть из них ос­тается в металле шва. Размеры таких пор колеблются от микроскопических, до 2...3 мм в диаметре, н за счет диффузии газов (в первую очередь, водорода) могут расти. Образуются раковины (полости неправильной формы и больших, чем поры размеров), а также свищи, выходящие на поверхность. Кроме одиночных пор, вызванных действием случайных факторов, в сварных швах могут появляться поры, равномерно распределенные но всему сечению шва, расположенные в виде цепочек или отдельных скоплении.

К основным причинам, вызывающим появление пор, относятся: плохая очистка свариваемых кромок от ржав­чины масел и различных загрязнений; повышенное со­держание углерода в основном или присадочном метал­ле большая скорость сварки, при которой не успевает пройти газовыделенне и поры остаются в металле шва: большая влажность электродных покрытий, флюса, сварка при плохой погоде.

Шлаковые включения — это полости в металле свар­ного шва, заполненные шлаками, не успевающими всплыть на поверхность шва. Шлаковые вклю­чения образуются при больших скоростях сварки, при сильном загрязнении кромок и при многослойной сварке в случаях плохой очистки от шлака поверхности швов между слоями. Размеры шлаковых включений могут до­стигать нескольких миллиметров в поперечном сечении и десятков н более миллиметров по протяженности. Фор­ма шлаковых включений может быть самой разнообраз­ной, вследствие чего они являются более опасными де­фектами, чем округлые поры.

Вольфрамовые включении могут появляться в металле сварного шва при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом, например, алюминиевых сплавов, в которых вольфрам не растворим. Частички вольфрама, попада­ющие вследствие нестабильности режима в расплав­ленную сварочную ванну, обычно погружаются в нее из-за большой плотности. На рентгеновских снимках вольф­рамовые включения выглядят как ясно видимые светлые пятна неправильной формы, располагающиеся изолиро­ванно или группами.

Окисные включения — могут возникать в металле сварных швов при наличии труднорастворимых окислов, например А1₂Оэ при больших скоростях кристаллизации шва. Располагаясь в виде пленок, они образуют в металле шва несплошности с малым раскрытием и их небла­гоприятное воздействие на механические свойства свар­ных швов может быть более сильным, чем пор и шлако­вых включении [12].