Влияние химического состава металла шва на качество сварного соединения

Ко второй группе дефектов, которую назовем дефектами формирования шва, относятся непровары, подрезы, наплывы, прожоги, кратеры, несимметричность расположения угловых швов, уменьшение размеров швов и др.

Возникновение подобных дефектов обычно обусловлено неправильным технологическим процессом, нарушением режимов сварки, неисправностью оборудования, низкой квалификацией исполнителей, некачественной подготовкой и сборкой под сварку элементов конструкции, неточным расположением конца электродов по отношению к свариваемым кромкам, недоступностью места сварки и возникающим из-за этого неудобством выполнения сварочных манипуляций, а также другими причинами, связанными с культурой производства.

Кристаллизационными трещинами, горячими или холодными (ГТ, ХТ), называют макроскопические и микроскопические несплошности, имеющие характер надреза и зарождающиеся в процессе первичной кристаллизации металла сварного шва.

В зависимости от ориентации по отношению к оси шва кристаллизационные трещины бывают продольными и поперечными (см. рис. 1). Продольные трещины могут располагаться по оси шва в месте стыка столбчатых кристаллитов или между соседними кристаллитами, поперечные трещины – между соседними кристаллитами. Иногда наблюдаются дефекты, являющиеся комбинацией продольных и поперечных трещин.

Рисунок 2 – Кристаллизационные трещины в металле шва:

а – продольная; б – поперечная; в — продольная и поперечные

Трещины в подавляющем большинстве случаев являются недопустимым дефектом, так как служат причиной хрупкого, усталостного и коррозионного разрушения конструкции или детали в процессе изготовления или эксплуатации. Кристаллизационные трещины являются одним из основных видов брака при сварке.

При разработке технологии сварки следует учитывать, что стойкость металла шва против кристаллизационных трещин (технологическая прочность металла шва) зависит от следующих факторов:

• величины и скорости нарастания действующих в процессе кристаллизации металла шва растягивающих напряжений;

• химического состава металла шва, определяющего свойства его в период кристаллизации и длительность пребывания в состоянии, характеризуемом пониженной пластичностью;

• формы сварочной ванны, определяющей направление роста столбчатых кристаллитов, характер их смыкания между собой, расположение межкристаллитных участков по отношению к растягивающим напряжениям и характер изменения пластической деформации.

Образование трещин в начале и конце шва обусловлено тем, что нежесткие выводные планки не могут удержать концы листов от расхождения. Радикальной мерой предотвращения таких трещин является надежное закрепление концов свариваемых деталей в приспособлении или увеличение жесткости выводных планок.

Химический состав металла шва оказывает первостепенное влияние на его стойкость против кристаллизационных трещин. Все элементы, входящие в состав металла шва, условно могут быть отнесены к трем основным группам.

Первая группа – элементы, присутствие которых снижает стойкость металла шва против кристаллизационных трещин. Такие элементы принято называть вредными.

Вторая группа – элементы, которые в зависимости от их сочетания и концентрации оказывают положительное (полезные примеси) или отрицательное (вредные примеси) влияние на стойкость металла шва против кристаллизационных трещин.

Третья группа – элементы, присутствие которых не оказывает влияния на стойкость металла шва против кристаллизационных трещин.

Сера – вредная примесь. Повышение содержания серы в металле шва резко снижает его стойкость против кристаллизационных трещин. Сера практически нерастворима в твердом железе, а поэтому находится в швах на стали в виде неметаллических сульфидных включений. Содержание серы в конструкционных сталях не должно превышать 0,05 %, а обычно составляет 0,03–0,04%.

Фосфор часто оказывает вредное влияние на стойкость металла шва против кристаллизационных трещин и приводит к резкому снижению ударной вязкости металла, особенно при пониженных температурах. Фосфор попадает в металл шва из основного и электродного металлов и из материалов, входящих в состав покрытий и флюсов. В конструкционных углеродистых сталях содержание фосфора допускается не более 0,055%, а в легированных сталях – не более 0,03%. Согласно ГОСТ 2246–70 содержание фосфора в сварочной проволоке не должно превышать 0,04%. В электродное покрытие и флюс фосфор попадает в основном с марганцевой рудой.

Углерод является важнейшим элементом, определяющим структуру и свойства металла шва, его прочность и поведение при эксплуатации. Вместе с тем углерод оказывает резко отрицательное влияние на стойкость металла шва против кристаллизационных трещин.

Кремний способствует образованию кристаллизационных трещин в швах на углеродистых сталях. Оптимальное содержание кремния зависит от способа сварки, типа шва и состава основного металла и при сварке углеродистых и низколегированных конструкционных сталей колеблется в пределах 0,15–0,6%.

Никель при небольших концентрациях в металле шва не оказывает влияния на стойкость его против возникновения кристаллизационных трещин. Никель является ценным легирующим элементом. Растворяясь в феррите, он повышает прочность и ударную вязкость металла шва при обычных и пониженных температурах при сохранении высокой пластичности.

Марганец уменьшает вредное влияние серы, повышая стойкость шва на углеродистых, низколегированных и хромоникелевых аустенитных сталях против образования кристаллизационных трещин. Марганец является постоянной составляющей стали, и, растворяясь в феррите, он повышает его прочность. Марганец поступает в металл шва из основного и дополнительного металлов, а также из материалов, входящих в состав покрытия или флюса.

Хром, подобно марганцу, уменьшает вредное влияние серы, повышая стойкость швов против образования кристаллизационных трещин.

Кислород повышает стойкость швов против образования кристаллизационных трещин, вызываемых серой. Вместе с тем повышение содержания кислорода снижает ударную вязкость металла шва на углеродистых и низколегированных конструкционных сталях и уменьшает пластичность аустенитных швов.

Дата добавления: 2014-01-05