Виды сварочных трещин: причины и методы обнаружения

Сварочные трещины — это дефекты, которые могут поставить под угрозу структурную целостность и работоспособность сварных соединений. Понимание типов сварочных трещин, их причин и методов обнаружения имеет решающее значение для обеспечения качества и надежности сварных конструкций. В этой статье представлен подробный обзор различных типов сварочных трещин, их основных причин и методов их обнаружения.

Почему трескаются сварные швы?

Развитие трещин в сварных швах — сложное явление, обычно возникающее из-за внутреннего напряжения, превышающего прочность материала сварного шва. Этому повышенному напряжению способствуют несколько факторов, в том числе неправильная термообработка, геометрия сварного шва, концентрация напряжений и свойства материала.

Углубляясь в роль напряжения, мы обнаруживаем, что как физические нагрузки, так и остаточные напряжения играют решающую роль в возникновении и распространении сварочных трещин. Остаточные напряжения, которые часто возникают в результате расширения и сжатия материалов во время сварки, по своей сути ослабляют сварное соединение. Между тем, физические нагрузки, такие как сильная вибрация, растяжение, сжатие и изгиб, непосредственно воздействуют на сварной шов, вызывая его растрескивание.

Остаточные напряжения, в частности, возникают в процессе сварки, когда материал подвергается термическому расширению и последующему сжатию. Если материал сварного шва или основной материал недостаточно прочен, чтобы выдержать эти силы, могут образоваться внутренние трещины. Со временем, поскольку сварное соединение стареет и неоднократно подвергается экстремальным нагрузкам, его способность выдерживать физические нагрузки снижается.

Виды сварочных трещин

Сварочные трещины можно разделить на две категории: горячие трещины и холодные трещины. Эти категории основаны на диапазоне температур, в котором образуются трещины.

1. Горячие трещины

Горячие трещины, также известные как высокотемпературные трещины, возникают при повышенных температурах во время затвердевания металла сварного шва. Обычно они образуются, когда сварочная ванна затвердевает и сжимается. Горячие трещины обычно межзеренные и располагаются вдоль границ зерен. Существует несколько подтипов горячих трещин:

Трещины по центральной линии (растрескивание сегрегации или растрескивание в форме валика)

Центральные трещины, также известные как трещины сегрегации или трещины в форме валика, возникают вдоль осевой линии сварного шва. Они образуются на этапе затвердевания сварки, когда расплавленный металл сварного шва начинает охлаждаться и сжиматься.

Причины

• Сегрегация: Присутствие легкоплавких примесей, таких как сера, фосфор или свинец, может привести к сегрегации по границам зерен. Эти примеси могут ослабить сварной шов и вызвать растрескивание.
• Неправильная форма сварного шва: Вогнутый сварной валик или чрезмерное усиление сварного шва могут увеличить вероятность растрескивания по центральной линии из-за неравномерного охлаждения и затвердевания.
• Высокие скорости сварки: Чрезмерная скорость сварки может привести к образованию узкой и глубокой сварочной ванны, что приведет к расслоению и растрескиванию по центральной линии.

Кратерные трещины

Кратерные трещины возникают на конце сварного валика, обычно образующиеся при прекращении сварочной дуги. Они выглядят как небольшие трещины или трещины в кратере, оставленном сварочной дугой.

Причины

• Быстрое охлаждение: Внезапное прекращение подвода тепла может вызвать быстрое охлаждение и сжатие металла шва, что приведет к образованию кратеров.
• Неправильное прекращение: Если не заполнить кратер должным образом перед остановкой процесса сварки, то слабое место может стать склонным к растрескиванию.
• Загрязняющие вещества: Наличие загрязнений или примесей в сварочной ванне может усугубить образование кратера.

Продольные трещины

Продольные трещины проходят параллельно сварному валику и могут возникать как в металле шва, так и в зоне термического влияния (ЗТВ). Они представляют собой разновидность горячих трещин, образующихся в процессе затвердевания или из-за остаточных напряжений.

Причины

• Высокие остаточные напряжения: Неравномерный нагрев и охлаждение могут вызвать высокие остаточные напряжения в сварном шве, приводящие к продольным трещинам.
• Неправильная конструкция сустава: Неправильная конструкция или подгонка соединений могут создать концентрацию напряжений, способствующую продольному растрескиванию.
• Свойства материала: Материалы с высоким коэффициентом термического расширения или плохой свариваемостью более подвержены продольному растрескиванию.

Ламеллярный разрыв

Пластинчатый разрыв — это тип растрескивания, возникающий в основном металле параллельно линии сварного шва. Для него характерно отделение металлических слоев из-за наличия неметаллических включений.

Причины

• Неметаллические включения: Присутствие сульфидов, оксидов или других включений в металле может действовать как концентраторы напряжений и инициировать разрыв пластин.
• Поперечные напряжения: Высокие поперечные напряжения, особенно в толстых пластинах, могут вызвать разрыв пластинок.
• Ориентация сварного шва: Ориентация сварного шва относительно направления прокатки основного металла может влиять на вероятность разрыва пластинок.

Трещины затвердевания

Трещины затвердевания возникают в металле сварного шва на этапе затвердевания сварки. Обычно они проявляются вдоль центральной линии сварного шва, где металл затвердевает последним.

Причины

• Легкоплавкие примеси: Присутствие примесей, таких как сера, фосфор или свинец, может сегрегировать границы зерен во время затвердевания, создавая слабые места, склонные к растрескиванию.
• Высокие скорости сварки: Чрезмерная скорость сварки может привести к образованию узкой и глубокой сварочной ванны, увеличивая вероятность образования затвердевающих трещин из-за быстрого охлаждения и сжатия.
• Неправильная конструкция сварного соединения: Конструкции соединений, которые создают высокую степень фиксации или недостаточное количество наполнителя, могут привести к неравномерной усадке и концентрации напряжений, что способствует образованию трещин.

Ликвационные трещины

Ликвационные трещины возникают в зоне термического влияния (ЗТВ) основного металла. Эти трещины вызваны частичным плавлением основного металла, примыкающего к сварочной ванне, который не может должным образом затвердеть при охлаждении.

Причины

• Частичное плавление: Когда основной металл вблизи сварочной ванны частично плавится, образуется локализованная зона с более низкой температурой плавления. При быстром охлаждении эта зона может затвердевать неравномерно, что приводит к растрескиванию.
• Быстрое охлаждение: Высокие скорости охлаждения могут помешать правильному затвердеванию расплавленного материала в ЗТВ, что приведет к образованию трещин.
• Примеси: Подобно трещинам затвердевания, наличие примесей может усугубить образование ликвационных трещин за счет снижения температуры плавления основного металла в локализованных областях.

2. Холодные трещины

Холодные трещины, также известные как низкотемпературные трещины или замедленные трещины, возникают после охлаждения сварного шва до комнатной температуры. Они обычно являются транскристаллитными и могут образовываться как в металле шва, так и в ЗТВ. К основным подтипам холодных трещин относятся:

Водородные трещины (HIC)

Водородные трещины (HIC), также известные как трещины из-за водородного охрупчивания, возникают, когда водород поглощается металлом сварного шва во время процесса сварки, а затем распространяется в области высоких напряжений, что приводит к растрескиванию.

Причины

• Источники водорода: Влага, масло, жир или другие загрязнения на основном металле или сварочных материалах могут привести к попаданию водорода в сварочную ванну.
• Высокие остаточные напряжения: Быстрое охлаждение и высокие остаточные напряжения могут способствовать диффузии водорода в точки концентрации напряжений, вызывая трещины.
• Низкотемпературная сварка: Сварка при низких температурах может увеличить растворимость водорода в металле сварного шва, что усугубляет проблему.

Растрескивание в зоне термического влияния (ЗТВ)

Растрескивание ЗТВ возникает в области, прилегающей к металлу сварного шва, где основной металл подвергся термическому воздействию, но не расплавился. Эти трещины часто связаны с изменением металлургической структуры и остаточными напряжениями.

Причины

• Быстрое охлаждение: Быстрая скорость охлаждения может привести к хрупкой микроструктуре ЗТВ, что сделает ее склонной к растрескиванию.
• Высокие остаточные напряжения: Неравномерный нагрев и охлаждение могут привести к возникновению высоких остаточных напряжений в ЗТВ, приводящих к растрескиванию.
• Свойства материала: Некоторые материалы, такие как высокопрочные стали, более склонны к растрескиванию ЗТВ из-за своих металлургических характеристик.

Трещины на пальцах ног

Трещины на стыке металла сварного шва и основного металла возникают, часто у кончика сварного шва. Эти трещины обычно являются поверхностными, но могут распространяться на сварной шов или основной металл.

Причины

• Высокие остаточные напряжения: Концентрация напряжений в зоне сварного шва может привести к растрескиванию.
• Плохая техника сварки: Неправильные методы сварки, такие как неправильные углы сварки или чрезмерное тепловложение, могут способствовать растрескиванию пальцев ног.
• Свойства материала: Некоторые материалы более подвержены растрескиванию из-за своих металлургических характеристик.

Корневые трещины

Корневые трещины возникают в корне сварного шва, где металл сварного шва встречается с основным металлом на задней стороне сварного соединения. Эти трещины могут быть внутренними или внешними и часто возникают из-за недостаточного проникновения или других причин. дефекты сварки.

Причины

• Недостаточное проникновение: Недостаточное проплавление сварного шва может привести к образованию пустот или слабых мест в корне, что приведет к растрескиванию. Это может быть результатом низкого тепловложения, неправильной техники сварки или неправильной конструкции соединения.
• Высокие остаточные напряжения: Концентрация напряжений в корне сварного шва может привести к растрескиванию. Эти напряжения часто возникают из-за теплового сжатия во время охлаждения, неправильной сборки или последовательности сварки.
• Загрязняющие вещества: Наличие загрязнений, таких как влага, масло или грязь, в основании сварного шва может ослабить соединение и вызвать растрескивание. Загрязнения могут попадать из нечистых основных материалов, среды сварки или неправильного хранения сварочных материалов.

Остаточные трещины под напряжением

Трещины остаточного напряжения возникают из-за остаточных напряжений, возникающих в процессе сварки. Эти трещины могут образовываться как в металле шва, так и в зоне термического влияния (ЗТВ).

Причины

• Высокая тепловая мощность: Чрезмерное тепловложение во время сварки может привести к высоким остаточным напряжениям, поскольку сварной шов остывает и сжимается. Высокая температура может вызвать большой рост зерна и создать зоны с разной скоростью охлаждения.
• Неправильная последовательность сварки: Последовательности сварки, которые не контролируют должным образом распределение тепла, могут привести к накоплению остаточных напряжений и растрескиванию. Это включает в себя плохое планирование сварочных проходов и неадекватный предварительный нагрев или послесварочную термообработку.
• Свойства материала: Материалы с высокой чувствительностью к остаточным напряжениям, такие как высокопрочные стали, более склонны к растрескиванию. Эти материалы могут иметь более низкую пластичность или особые металлургические характеристики, которые делают их более восприимчивыми к остаточным напряжениям.

Поперечные трещины и трещины по линии сплавления

Поперечные трещины – это трещины, идущие перпендикулярно направлению сварного валика. Эти трещины могут возникать в металле сварного шва или в зоне термического влияния (ЗТВ) и обычно связаны с высокими остаточными напряжениями или внешними нагрузками, действующими перпендикулярно сварному шву.

Трещины по линии сварки возникают вдоль линии сплавления, которая является границей раздела металла сварного шва и основного металла. Эти трещины могут развиваться из-за недостаточного плавления во время процесса сварки, что приводит к образованию слабых мест, которые склонны к растрескиванию под действием напряжения или термоциклирования.

Причины

• Высокие остаточные напряжения: Концентрации напряжений, перпендикулярные сварному шву, могут привести к поперечному растрескиванию. Эти напряжения могут быть вызваны неравномерным охлаждением, усадкой или внешними нагрузками.
• Плохая сварка: Недостаточное проваривание металла сварного шва и основного металла может привести к образованию трещин по линии сварки. Это может быть связано с недостаточным подводом тепла, неправильной техникой сварки или неправильной подготовкой шва.
• Свойства материала: Некоторые материалы, например, с высокой твердостью или низкой пластичностью, более склонны к поперечному растрескиванию и растрескиванию по линиям плавления из-за своих металлургических характеристик.

Причины растрескивания сварных швов и способы их устранения

Понимание различных типов сварочных трещин, а также их производственных причин и принятие соответствующих мер по устранению необходимы для предотвращения этих дефектов. Ниже приведены способы устранения различных сварочных трещин, позволяющие их уменьшить.

Выбор материала

Различные металлы и сплавы проявляют различную степень чувствительности к растрескиванию в зависимости от их предела текучести, пластичности и других свойств материала. При сварке двух разнородных металлов важно понимать их относительную прочность и выбирать подходящие присадочные материалы и методы сварки для достижения прочного соединения.

Сталь, нержавеющая сталь и алюминий относятся к наиболее часто свариваемым материалам, но каждый из них имеет свои уникальные проблемы. Сталь и нержавеющая сталь склонны к водородному растрескиванию, которое возникает, когда водород диффундирует в зону сварного шва и создает внутренние напряжения, превышающие пластичность материала. Алюминий, с другой стороны, более подвержен горячему растрескиванию из-за его высокой теплопроводности и склонности к пружинению.

Чтобы предотвратить растрескивание, важно свериться с таблицей выбора присадочного металла и выбрать присадочный металл, который соответствует химическому составу и механическим свойствам основного металла. Кроме того, использование методов сварки, которые сводят к минимуму введение водорода, таких как сварочные электроды с низким содержанием водорода или процессы сварки в защитном газе, может помочь снизить риск водородного растрескивания.

Изменения температуры

Изменения температуры во время сварки являются основной причиной образования трещин. При нагреве сварного соединения оно расширяется за счет теплового расширения. Однако по мере охлаждения и затвердевания сварного шва он сжимается или сжимается, создавая внутренние напряжения, которые могут превысить пластичность материала и привести к растрескиванию.

Чтобы снизить риск растрескивания из-за изменений температуры, можно использовать несколько стратегий. Использование методов сварки, которые минимизируют подвод тепла, таких как импульсная сварка или сварка короткой дугой, может помочь уменьшить количество тепла, попадающего в зону сварки. Кроме того, предварительный нагрев основного металла перед сваркой может помочь уменьшить температурный градиент и минимизировать внутренние напряжения, возникающие во время охлаждения.

Зажимы и приспособления также можно использовать для ограничения сварной детали и предотвращения ее чрезмерного сжатия во время охлаждения. Методы картирования сварных швов, которые включают сварку в определенной последовательности для минимизации остаточных напряжений, также могут быть эффективными. Наконец, послесварочная термообработка может быть применена для снятия остаточных напряжений и повышения устойчивости сварной детали к растрескиванию.

Избегайте стали с высоким содержанием серы и некоторых видов бусин.

Очень важно избегать сварки стали с высоким содержанием серы из-за ее склонности к образованию горячих трещин. Сера, кипящая при температуре примерно 239 градусов по Фаренгейту, имеет тенденцию накапливаться по направлению к центральной линии сварного шва во время разжижения, вызывая трещины при затвердевании.

Кроме того, избегайте сильно вогнутых или выпуклых сварочных швов. Вогнутые валики могут неправильно наносить присадочный металл, что может привести к образованию трещин из-за недостаточного армирования. И наоборот, избыток наполнителя в выпуклых швах также может вызвать появление трещин из-за внутреннего напряжения во время расширения металла. Вместо этого выберите обычные бусины слегка выпуклой или вогнутой формы. хорошая сварка целостность и надежность.

Остаточные или приложенные напряжения

Растрескивание сварного шва часто возникает из-за концентраторов напряжений, таких как неправильная подготовка соединения, загрязнения или вольфрамовые включения. Чрезмерное использование прерывистых сварных швов также повышает риски, поскольку каждая точка остановки или начала может способствовать образованию трещин. Профилактика требует строгих процессов, чистоты рабочих мест и пристального внимания, что является отличительными чертами квалифицированной сварки.

Ремонт включает в себя шлифовку пораженных участков до твердого металла и наложение нового сварного шва, хотя это трудоемкий и дорогостоящий процесс. Устранение коренных причин имеет решающее значение для предотвращения повторяющихся сбоев и обеспечения целостности сварного шва.

Химический макияж

Химический состав основного металла и присадочного материала играет существенную роль в растрескивании сварного шва. Например, нержавеющая сталь содержит хром, который помогает сформировать защитный оксидный слой, противостоящий коррозии. Однако хром также может вступать в реакцию с водородом во время сварки, что приводит к образованию хрупких фаз в металле сварного шва, склонных к растрескиванию.

С другой стороны, высокая теплопроводность алюминия и низкая температура плавления делают его склонным к горячему растрескиванию. Факторы окружающей среды, такие как влажность и загрязнение, также могут повлиять на свариваемость алюминия, внося примеси, способствующие образованию трещин.

Чтобы смягчить влияние химического состава на растрескивание сварного шва, важно выбирать материалы с низким уровнем примесей и оптимизировать процесс сварки, чтобы свести к минимуму попадание вредных элементов. Кроме того, использование сварочных материалов, совместимых с основным металлом, может помочь снизить риск образования трещин.

Замедлите процесс охлаждения

Чтобы свести к минимуму растрескивание сварного шва, важно замедлить скорость охлаждения. Медленное охлаждение усиливает диффузию водорода, позволяя водороду выходить из металла сварного шва, тем самым снижая риск образования трещин.

Одним из эффективных методов достижения этой цели является использование теплового одеяла. Тепловые покрытия обеспечивают постоянный и контролируемый нагрев области сварного шва, замедляя процесс охлаждения. Сварочные печи — еще одно решение, при котором весь сварной компонент помещается внутри печи для обеспечения равномерного и постепенного охлаждения. Некоторые сварщики также используют индукционный нагрев. В этом процессе для нагрева металла используется электромагнитная индукция, что позволяет точно контролировать скорость охлаждения.

Методы обнаружения сварочных трещин

Обнаружение сварочных трещин имеет решающее значение для обеспечения целостности сварных конструкций. Для выявления трещин в сварных швах используются различные методы неразрушающего контроля (NDT). К наиболее распространенным методам относятся:

1. Визуальный осмотр. Визуальный осмотр — самый простой и наиболее широко используемый метод обнаружения поверхностных трещин. Он включает в себя тщательный осмотр поверхности сварного шва невооруженным глазом или с помощью увеличительных инструментов. Хотя визуальный осмотр может выявить поверхностные трещины, он неэффективен для обнаружения подповерхностных дефектов.
2. Капиллярное тестирование (DPT): Пенетрантное тестирование — это метод, используемый для обнаружения трещин, разрушающих поверхность. Он включает в себя нанесение жидкого красителя на поверхность сварного шва, позволяющего ему проникнуть в трещины, а затем удаление излишков красителя. Затем наносится проявитель, который вытягивает краску из трещин, делая их видимыми в ультрафиолетовом или обычном свете.
3. Магнитопорошковый контроль (MPT): Магнитнопорошковый контроль используется для обнаружения поверхностных и приповерхностных трещин в ферромагнитных материалах. Сварной шов намагничивается, а на поверхность наносятся магнитные частицы. Трещины нарушают магнитное поле, в результате чего частицы скапливаются в местах дефектов, которые затем становятся видимыми при правильном освещении.
4. Ультразвуковой контроль (UT): Ультразвуковой контроль использует высокочастотные звуковые волны для обнаружения внутренних трещин. Датчик излучает звуковые волны в сварной шов, и любые неоднородности отражают волны обратно в датчик. Отраженные волны анализируются для определения наличия и расположения трещин.
5. Радиографический контроль (RT): Радиографический контроль включает использование рентгеновских лучей или гамма-лучей для создания изображений сварного шва. Трещины и другие дефекты проявляются на рентгенограмме в виде темных пятен. RT эффективен для обнаружения внутренних трещин и других подповерхностных дефектов.
6. Вихретоковое испытание (ECT). Вихретоковое испытание используется для обнаружения поверхностных и приповерхностных трещин в проводящих материалах. Через катушку пропускают переменный ток, создавая вихревые токи в материале. Трещины нарушают течение вихревых токов, которые обнаруживаются и анализируются для выявления дефектов.

Сварочная трещина – дефект или просто разрыв?

При сварке важно различать дефекты и несплошности. Несплошность – это дефект, который не обязательно может нарушить целостность сварного шва. Он становится дефектом только в том случае, если нарушает определенные требования кодекса или внутренние стандарты качества, что требует ремонта.

Дефекты всегда квалифицируются как несплошности, но не все несплошности являются дефектами. Дефекты, такие как трещины или значительная пористость, требуют исправления, поскольку они могут привести к сбоям. Неровности, такие как незначительные неровности поверхности, могут быть приемлемыми, если они соответствуют соответствующим стандартам.

Квалифицированные инспекторы оценивают дефекты, используя такие методы, как визуальный осмотр, ультразвуковой контроль или рентгенографический контроль, чтобы определить их влияние. Даже если разрыв соответствует нормам, спецификации заказчика все равно могут потребовать его ремонта для обеспечения высочайшего качества и безопасности.

Кто несет ответственность за предотвращение сварочных трещин?

• Обязанности сварщика: Сварщик несет ответственность за дефекты, связанные с уровнем квалификации или техникой сварки. Такие проблемы, как неполное проваривание, чрезмерно вогнутые или выпуклые контуры валиков и неправильный размер сварного шва, часто возникают из-за плохой техники, неправильной скорости перемещения, неправильного обращения с электродом или неправильной настройки параметров. Кроме того, сварщики должны уведомлять руководителей о любых проблемах, возникающих во время работы.
• Обязанности супервайзера: Руководители должны обеспечить наличие у сварщиков необходимых инструментов и ресурсов для эффективной работы. Это включает в себя поддержание безопасной рабочей среды в соответствии с правилами OSHA, обеспечение правильными основными и присадочными металлами, обеспечение надлежащих испытаний процедур сварки и поставку функционального сварочного оборудования. Эффективные программы обучения и правильно спроектированные и доступные сварные соединения также имеют решающее значение.
• Рекомендации по проектированию и управлению: На качество сварки влияют не только сварщики и контролеры, но и вопросы технологичности проектирования. Проектировщики должны обеспечить доступность соединений, позволяя сварщикам правильно располагать свои инструменты и манипулировать ими. Если конструкция затрудняет доступ к зоне сварки, это увеличивает риск появления дефектов.

Как дефекты подрезов могут привести к появлению сварочных трещин?

Дефекты подрезки, когда толщина основного металла уменьшается на границе раздела сварных швов, нарушается передача напряжений и создаются потенциальные точки концентрации напряжений, которые могут инициировать появление трещин, особенно в условиях высоких напряжений.

Чтобы предотвратить эти дефекты. Для процессов с постоянным напряжением, таких как неимпульсная сварка GMAW и дуговая сварка порошковой проволокой, возможна ручная регулировка напряжения. В процессах с постоянным током, таких как GTAW и SMAW, напряжение меняется в зависимости от длины дуги, что требует тщательного управления. Правильные углы электродов и пониженная скорость перемещения также помогают обеспечить эффективную наплавку и минимизировать подрезы, тем самым снижая риск образования сварочных трещин с течением времени.

Приводит ли холодная притирка к образованию сварочных трещин?

Холодная притирка или перекрытие представляет собой значительный риск при сварке. Когда выступ сварного шва не сплавляется с основным металлом, создавая несплошность, передача напряжения через сварное соединение нарушается. Это отсутствие непрерывности действует как источник напряжения, потенциально вызывая появление трещин под эксплуатационными нагрузками.

Чтобы предотвратить холодную притирку, решающее значение имеет обеспечение равномерности манипуляций электродами между основными металлами. Неравномерное распределение может привести к неадекватному сварке и перекрытию, что особенно проблематично в случаях, когда сварка выполняется без четкой видимости соединения.

Согласно стандартам AWS, достижение плавного перехода на стыке сварного шва имеет первостепенное значение. Такая практика способствует равномерному распределению напряжений и помогает уменьшить образование вредных трещин, тем самым обеспечивая общую целостность и долговечность сварных конструкций.

Заключение

Понимание типов сварочных трещин, их причин и методов обнаружения имеет решающее значение для обеспечения высококачественных сварных швов. Риск образования сварочных трещин можно свести к минимуму за счет применения правильных методов сварки, использования чистых материалов и проведения соответствующей термической обработки перед сваркой и после сварки.

FAQ

---

Каталог: Руководство по изготовлению листового металла