Pęknięcia przy spawaniu

Zachodzące pod wpływem cyklu cieplnego spawania zmiany struktury oraz zmiany stanów naprężeń i odkształceń wywierają istotny wpływ na powstawanie pęknięć spawalniczych. Pęknięcia mogące powstawać w SWC złącza spawanego, których przyczyny związane są z technologią spawania, można sklasyfikować w czterech grupach:

• pęknięcia gorące,
• pęknięcia zimne,
• pęknięcia lamelarne,
• pęknięcia pod wpływem powtórnego nagrzewania.

Pęknięcia gorące

Pęknięcia gorące mogą powstawać w obszarach SWC gdzie temperatura materiału zbliżona jest do temperatury solidusu. Pęknięcia te mogą także występować w znacznie niższych temperaturach. Jako dolną granicę powstawania pęknięć gorących przyjmuje się 0.5Tm (Tm - temperatura topnienia). Powstawanie tego typu pęknięć wywołane jest poprzez ciekłe fazy występujące na granicach ziaren, przy podwyższonych temperaturach,w związku z czym materiał nie może relaksować występujących naprężeń skurczowych poprzez odkształcanie plastyczne, dochodzi do wzrostu naprężeń wywołujących pęknięcia wzdłuż niskotopliwych faz występujących na granicach ziaren.

W strefie wpływu ciepła, w pobliżu linii wtopienia, w procesie spawania materiał rodzimy zostaje podgrzany do temperatur niewiele niższych od temperatury solidus. Fazy na granicach ziaren, posiadające niższe temperatury topnienia aniżeli materiał rodzimy, mogą ulec roztopieniu i przy odpowiednich warunkach rozprzestrzeniać się w postaci błonek wzdłuż granic ziaren. Istotne znaczenie dla powstawania pęknięć gorących w SWC złącza spawanego ma obecność siarczków, tlenków, węglików oraz ich kształt i morfologia. Naprężenia rozciągające powstające w SWC złącza spawanego podczas cyklu chłodzenia mogą powodować wzrost zwilżalności granic ziaren przez fazy, które pierwotnie występowały w postaci globularnej. Dostatecznie duże naprężenia rozciągające powodują rozsuwanie się ziaren, których granice, zwilżone ciekłymi fazami, usytuowane są prostopadle do kierunku działania tych naprężeń. Powoduje to powstawanie pęknięć.

Pęknięcia zimne

Pęknięcia zimne zwane również pęknięciami wodorowymi czy też zwłocznymi, są zjawiskiem lokalnego niszczenia połączenia spawanego i powstają w trakcie stygnięcia połączenia spawanego, z reguły w zakresie temperatur od 200 do 1000C lub bezpośrednio po spawaniu, przy braku obciążeń zewnętrznych. W niektórych przypadkach pękanie zimne może zachodzić wyraźnie później po zakończeniu spawania, nawet po upływie kilkudziesięciu godzin. Powstawanie tego typu pęknięć w złączach spawanych uwarunkowane jest jednoczesnym oddziaływaniem trzech zjawisk:

• hartowaniem się stali pod wpływem procesu spawania,
• obecnością wodoru w spoinie i w strefie wpływu ciepła złącza spawanego,
• obecnością naprężeń i odkształceń wynikających z procesu spawania prowadzonego w warunkach utwierdzenia.

Istnieje wiele czynników mogących mieć wpływ na powstawanie pęknięć zimnych w konstrukcjach spawanych. Do podstawowych należą:

• właściwości fizyko-chemiczne materiału spawanego oraz materiałów dodatkowych,
• warunki spawania,
• warunki otoczenia,
• powiązania konstrukcyjne złącza.

Metody zapobiegania powstawaniu pęknięciom zimnym wynikają z analizy czynników wywołujących ten typ pęknięć w złączach spawanych i polegają na:

• ograniczaniu zawartości wodoru w spoinie i w SWC złącza spawanego,
• oddziaływaniu na przemiany stali w SWC,
• obniżeniu naprężeń w złączu spawanym.

Ograniczenie zawartości wodoru uzyskuje się poprzez wybór metod i materiałów dodatkowych nisko wodorowych, obróbkę cieplną (suszenie) materiałów dodatkowych przed spawaniem (elektrod otulonych, topników), wydłużenie czasu stygnięcia SWC w zakresie temperatur od 300 do 100°C.

Oddziaływanie na przemiany stali w SWC może być realizowane przez wzrost energii liniowej łuku, stosowanie podgrzewania wstępnego elementów spawanych, obróbkę cieplną po spawaniu.

Obniżenie naprężeń w złączu spawanym osiąga się przez ograniczenie utwierdzeń montażowych, ograniczenie oddziaływania połączeń już wykonanych na wykonywane oraz ograniczanie oddziaływania ciężaru własnego elementów spawanych.

W niektórych przepadkach skutecznymi sposobami są wstępne napawanie części spawanych austenitycznym lub ferrytycznym metalem (nie hartującym się przy spawaniu) lub spawanie materiałami dodatkowymi zapewniającymi uzyskanie struktury austenitycznej.

Pęknięcia lamelarne

Pęknięcia lamelarne są spowodowane obecnością pasm wtrąceń, głównie siarczków, ułożonych na przekroju blachy równolegle do kierunku walcowania. Wtrącenia te obniżają własności plastyczne blachy w kierunku jej grubości i pod wpływem naprężeń skurczowych spoin powodują w temperaturach poniżej 200°C tworzenie się pęknięć o charakterystycznym schodkowym przebiegu. W obecności wysokich naprężeń skurczowych następuje utrata kohezji na granicy wtrącenie osnowa i powstanie pustki. Mikroszczeliny utworzone na pasmowo ułożonych wtrąceniach w obecności dostatecznie wysokich naprężeń rozciągających mogą się ze sobą łączyć w kierunku poziomym. Obecność płaskich pęknięć na różnych poziomach w stosunku do powierzchni blachy powoduje silną koncentracje naprężeń w obszarach między pęknięciami, co prowadzi do ścinania materiału osnowy znajdującego się pomiędzy nimi. Tak więc płaszczyzny pęknięć równoległe do powierzchni blachy (tarasy) są łączone prostopadłymi przejściami (uskokami).

Proces pękania lamelarnego może być pogłębiony poprzez oddziaływanie wodoru dyfundującego, wprowadzonego do materiału podczas spawania, sprzyja to procesowi rozwijania mikroszczelin utworzonych na wtrąceniach niemetalicznych.

Pęknięcia lamelarne powstają głównie w połączeniach charakteryzujących się znacznym stopniem utwierdzenia w których blacha skłonna do pękania ulega odkształceniu w kierunku prostopadłym do jej powierzchni. Pęknięcia te powstają przede wszystkim w złączach teowych i krzyżowych, z jednostronnymi lub dwustronnymi spoinami czołowymi lub spoinami pachwinowymi.

Na pękanie lamelarne mają wpływ następujące czynniki:

• całkowita zawartość wtrąceń niemetalicznych, ich rodzaj, wielkość i rozmieszczenie,
• skład chemiczny stali,
• poziom naprężeń poprzecznychłodzenia złącza,
• zawartość wodoru dyfundującego.

Schemat powstawania pęknięć lamelarnych

Pęknięcia pod wpływem powtórnego nagrzewania

Pęknięcia pod wpływem powtórnego nagrzewania zwane również pęknięciami pod wpływem obróbki cieplnej, powstają w obszarze przegrzanym SWC stali niskostopowych oraz stali austenitycznych i chromowo-niklowych. Pęknięcia tego typu powstają w dwu zakresach temperaturowych:

• w czasie nagrzewania do temperatury wyżarzania w zakresie temperatur od 200 do 300°C,
• w zakresie temperatur wyżarzania, poniżej temperatury A1.

Pękanie elementów spawanych podczas nagrzewania do temperatury wyżarzania związane jest ze stosowaniem zbyt dużej szybkości nagrzewania tych elementów. Powstające w nagrzewanym elemencie naprężenia termiczne sumując się z naprężeniami strukturalnymi prowadzą do powstawania pęknięć. Najbardziej na pękanie podczas nagrzewania do temperatury wyżarzania narażona jest ta część SWC w której w wyniku procesu spawania powstały zarodki pęknięć gorących lub zimnych.

Pękanie elementów spawanych w zakresie temperatur wyżarzania związane jest przede wszystkim z wzrostem kruchości SWC złącza spawanego wywołanym wydzielaniem się faz wtórnych ( najczęściej węglików ) z roztworu stałego.

W niskostopowych stalach Cr-Mo-V pęknięcia te powstają w gruboziarnistym obszarze SWC charakteryzującym się najczęściej iglastą strukturą bainityczno-martenzytyczną z pewną ilością austenitu szczątkowego. W trakcie procesu spawania w wyniku oddziaływania cyklu cieplnego spawania znaczna część węglików przechodzi do roztworu stałego, również granice ziaren pierwotnego austenitu wzbogacane są dodatkami stopowymi. W czasie nagrzewania do temperatury wyżarzania oraz w pierwszej fazie wyżarzania następuje wydzielanie się węglików. Proces ten prowadzi do znacznego utwardzenia wydzieleniowego wnętrza ziarna.

W procesie wyżarzania relaksacja naprężeń zachodzi drogą odkształcania materiału, w przypadku znacznego utwardzenia wydzieleniowego wnętrza ziaren odkształcenia te będą zachodzić po granicach ziaren. W warunkach obniżonej energii granic ziaren (np. w wyniku segregacji domieszek do granic ziarn) będzie dochodzić na styku trzech ziaren do powstawania tzw. pęknięć klinowych. Wydzielanie się węglików po granicach ziaren utrudnia poślizg ziaren względem siebie a tym samym podwyższa wytrzymałość struktury oraz obniża jej ciągliwość. Powstają wówczas warunki do zarodkowania pustek na cząstkach leżących w granicach ziaren a następnie do ich łączenia.

Schemat tworzenia się pęknięć pod wpływem powtórnego nagrzewania

Na przebieg pękania pod wpływem powtórnego nagrzewania istotny wpływ wywierają parametry technologiczne procesu spawania. Spawania z niską energią liniową sprzyja pękaniu poprzez znaczne przesycenie gruboziarnistej części SWC oraz wzrost naprężeń w złączu spawanym. Stosowanie podgrzewania wstępnego lub wyższych energii liniowych spawania powoduje obniżenie prędkości chłodzenia w SWC złącza spawanego a tym samym zmniejszenie przesycenia i obniżenie stanu naprężeń.

W celu wyeliminowania pęknięć pod wpływem powtórnego nagrzewania stosuje się nagrzewanie do temperatur 650 - 700°C dla stali ferrytycznych i ok. 1050°C dla stali austenitycznych a następnie szybkie chłodzenie po nagrzewaniu.