Las grietas de soldadura se clasifican por su naturaleza en grietas en caliente, grietas por recalentamiento, grietas en frío, desgarros laminares, etc. A continuación se explica detalladamente las causas, características y métodos de prevención de diversas grietas.
01
grietas calientes
Ocurre a altas temperaturas durante la soldadura, por lo que se llama grieta en caliente. Se caracteriza por agrietarse a lo largo del límite del grano de austenita original. Dependiendo de los materiales del metal que se va a soldar (acero de baja aleación y alta resistencia, acero inoxidable, hierro fundido, aleaciones de aluminio y algunos metales especiales, etc.), la forma, el rango de temperatura y las principales causas de las grietas en caliente también son diferentes. En la actualidad, las grietas térmicas se dividen en tres categorías: grietas cristalinas, grietas por licuefacción y grietas polilaterales.
imagen
(1) Grietas de cristal
Ocurre principalmente en soldaduras de acero al carbono y acero de baja aleación que contienen más impurezas (que contienen alto contenido de S, P, C, Si) y acero austenítico monofásico, aleaciones a base de níquel y algunas soldaduras de aleaciones de aluminio. Este tipo de grieta ocurre durante el proceso de cristalización de la soldadura, cerca de la línea solidus. Debido a la contracción del metal solidificado, el metal líquido residual es insuficiente y no se puede llenar a tiempo. El agrietamiento intergranular se produce bajo la acción de tensiones.
Las medidas preventivas y de control son: en términos de factores metalúrgicos, ajustar adecuadamente la composición del metal de soldadura, acortar el rango de la zona de temperatura frágil, controlar el contenido de impurezas nocivas como azufre, fósforo y carbono en la soldadura; refinar los granos primarios del metal de soldadura, es decir, agregar apropiadamente Mo, V, Ti, Nb y otros elementos; En términos de tecnología, se puede prevenir precalentando antes de soldar, controlando la energía de la línea, reduciendo la restricción de las juntas, etc.
(2) Grietas por licuefacción cerca del área de la costura
Es una especie de microgrieta que se agrieta a lo largo del límite del grano de austenita. Su tamaño es muy pequeño y ocurre en la ZAT cerca del área de la costura o entre capas. Su formación se debe generalmente al hecho de que el metal en el área cercana a la costura o el metal entre las costuras de soldadura durante la soldadura provoca que la composición eutéctica de bajo punto de fusión en los límites de los granos de austenita en estas áreas se vuelva a fundir a altas temperaturas. Bajo la acción de tensiones de tracción, las grietas intergranulares de austenita, de composición eutéctica de bajo punto de fusión, forman grietas de licuefacción.
Las medidas de prevención y control de este tipo de fisuras son básicamente las mismas que las de las fisuras de cristales. Especialmente en metalurgia, es muy eficaz reducir al máximo el contenido de elementos eutécticos de bajo punto de fusión como azufre, fósforo, silicio y boro; en términos de tecnología, puede reducir la energía de la línea y reducir la concavidad de la línea de fusión en el baño fundido.
(3) Grietas poligonales
Es causada por la baja plasticidad a altas temperaturas durante la formación de polígonos. Este tipo de fisura no es común, y sus medidas de prevención y control pueden incluir la adición a la soldadura de elementos como Mo, W, Ti, etc. para aumentar la energía de excitación polilateral.
02
recalentar crack
Por lo general, ocurre en ciertos tipos de acero y aleaciones de alta temperatura que contienen elementos reforzados por precipitación (incluidos aceros de alta resistencia y baja aleación, aceros perlíticos resistentes al calor, aleaciones de alta temperatura reforzadas por precipitación y algunos aceros inoxidables austeníticos). No se encontraron grietas después de la soldadura. En cambio, se produjeron grietas durante el proceso de tratamiento térmico. Las grietas por recalentamiento ocurren en las partes de grano grueso sobrecalentadas de la zona afectada por el calor de soldadura, y su dirección es expandirse a lo largo de los límites de grano grueso de austenita de la línea de fusión.
En cuanto a la selección de materiales para evitar grietas por recalentamiento, se puede utilizar acero de grano fino. En términos de tecnología, utilice energía lineal más pequeña, utilice temperaturas de precalentamiento más altas y medidas de calentamiento posteriores, y utilice materiales de soldadura de baja coincidencia para evitar la concentración de tensiones.
03
grieta fría
Ocurre principalmente en la zona afectada por el calor de la soldadura de acero de alto y medio carbono, acero de baja y media aleación, pero a veces también se producen grietas en frío en soldaduras de algunos metales, como algunos aceros de ultra alta resistencia, titanio y aleaciones de titanio. En general, la tendencia al endurecimiento del tipo de acero, el contenido de hidrógeno y la distribución de la junta soldada y el estado de tensión de restricción de la junta son los tres factores principales que causan grietas en frío durante la soldadura de acero de alta resistencia. Bajo la acción del elemento hidrógeno y la tensión de tracción, la estructura de martensita formada después de la soldadura forma grietas en frío. Su formación es generalmente transgranular o intergranular. Las grietas en frío generalmente se dividen en grietas en la base de la soldadura, grietas en el cordón de soldadura y grietas en la raíz.
La prevención y el control de las grietas por frío pueden empezar por tres aspectos: la composición química de la pieza de trabajo, la selección de los materiales de soldadura y las medidas del proceso. Se deben utilizar, en la medida de lo posible, materiales con equivalentes de carbono más bajos; Se deben utilizar electrodos con bajo contenido de hidrógeno como materiales de soldadura y se debe utilizar una combinación de baja resistencia para las soldaduras. Los materiales de soldadura austeníticos también se pueden utilizar para materiales con alta tendencia al agrietamiento en frío; La energía lineal, el precalentamiento y el postcalentamiento deben controlarse razonablemente. El tratamiento térmico es una medida del proceso para prevenir el agrietamiento en frío.
En la producción de soldadura, debido a los diferentes tipos de acero y materiales de soldadura utilizados, el tipo y rigidez de la estructura y las condiciones específicas de construcción, pueden ocurrir diversas formas de grietas en frío. Sin embargo, el agrietamiento retardado se encuentra principalmente en la producción.
El craqueo retardado se presenta en tres formas:
(1) Grieta en la base de la soldadura: este tipo de grieta se origina en la interfaz entre el metal base y la soldadura, y tiene ubicaciones obvias de concentración de tensiones. La dirección de la grieta suele ser paralela al cordón de soldadura y generalmente comienza desde la superficie del pie de soldadura y se extiende hasta la profundidad del metal base.
(2) Grietas debajo del cordón de soldadura: este tipo de grieta ocurre a menudo en la zona afectada por el calor de la soldadura con una gran tendencia al endurecimiento y un alto contenido de hidrógeno. Generalmente, la dirección de la grieta es paralela a la línea de fusión.
(3) Grieta de raíz: este tipo de grieta es una forma común de grieta retardada, que ocurre principalmente cuando el contenido de hidrógeno es alto y la temperatura de precalentamiento es insuficiente. Este tipo de grieta es similar a una grieta en la base de una soldadura y se origina en la raíz de la soldadura, donde la concentración de tensión es mayor. Las grietas de raíz pueden ocurrir en el segmento de grano grueso de la zona afectada por el calor o en el metal de soldadura.
La tendencia al endurecimiento del tipo de acero, el contenido de hidrógeno y la distribución de la junta soldada y el estado de tensión de restricción de la junta son los tres factores principales que causan grietas en frío durante la soldadura de acero de alta resistencia. Estos tres factores están interrelacionados y se refuerzan mutuamente bajo ciertas condiciones.
La tendencia al endurecimiento de los tipos de acero está determinada principalmente por la composición química, el espesor de la placa, el proceso de soldadura y las condiciones de enfriamiento. Al soldar, cuanto mayor sea la tendencia al endurecimiento del tipo de acero, más fácil será que se produzcan grietas. ¿Por qué el acero se agrieta después de endurecerse? Se puede resumir en los siguientes dos aspectos:
(1) Formación de una estructura de martensita dura y quebradiza: la martensita es una solución sólida sobresaturada de carbono en hierro. Los átomos de carbono existen como átomos intersticiales en la red cristalina, lo que hace que los átomos de hierro se desvíen de la posición de equilibrio y la red cristalina cambie. Una gran distorsión hace que el tejido se endurezca. Especialmente en condiciones de soldadura, la temperatura de calentamiento en el área cercana a la costura es muy alta, lo que hace que los granos de austenita crezcan seriamente. Cuando se enfría rápidamente, la austenita gruesa se transformará en martensita gruesa. A partir de la teoría de la resistencia de los metales se puede saber que la martensita es una estructura dura y frágil, que consume menos energía cuando se produce la fractura. Por lo tanto, cuando existe martensita en la junta soldada, es fácil que se formen y expandan grietas.
(2) El endurecimiento formará más defectos de red: el metal formará una gran cantidad de defectos de red en condiciones de desequilibrio térmico. Estos defectos de la red son principalmente vacantes y dislocaciones. A medida que aumenta la tensión térmica en la zona afectada por el calor de la soldadura, las vacantes y dislocaciones se moverán y acumularán en condiciones de tensión y desequilibrio térmico. Cuando su concentración alcanza un cierto valor crítico, se formarán fuentes de grietas. Bajo la acción continua de la tensión, las grietas macroscópicas seguirán expandiéndose y formándose.
El hidrógeno es uno de los factores importantes que causan grietas en frío en la soldadura de acero de alta resistencia y tiene características retardadas. Por lo tanto, las fisuras retardadas provocadas por el hidrógeno se denominan en muchos documentos "craqueo inducido por hidrógeno". Estudios experimentales han demostrado que cuanto mayor es el contenido de hidrógeno en las uniones soldadas de acero de alta resistencia, mayor es la sensibilidad a las grietas. Cuando el contenido de hidrógeno en un área local alcanza un cierto valor crítico, comenzarán a aparecer grietas. Este valor se denomina valor crítico para la generación de grietas. Contenido de hidrógeno [H]cr.
El valor [H]cr del craqueo en frío en varios aceros es diferente y está relacionado con la composición química, la resistencia del acero, la temperatura de precalentamiento y las condiciones de enfriamiento del acero.
(1) Durante la soldadura, la humedad en el material de soldadura, el óxido, las manchas de aceite en la ranura de la pieza soldada y la humedad ambiental son causas de soldaduras ricas en hidrógeno. En circunstancias normales, la cantidad de hidrógeno en el metal base y el alambre de soldadura es muy pequeña, pero no se puede ignorar la humedad en el revestimiento del electrodo y la humedad en el aire, convirtiéndose en la principal fuente de hidrogenación.
(2) Las capacidades de disolución y difusión del hidrógeno en diferentes estructuras metálicas son diferentes. La solubilidad del hidrógeno en la austenita es mucho mayor que la de la ferrita. Por lo tanto, durante la transición de austenita a ferrita durante la soldadura, la solubilidad del hidrógeno disminuye repentinamente. Al mismo tiempo, la velocidad de difusión del hidrógeno es todo lo contrario, aumentando repentinamente cuando se transforma de austenita a ferrita.
Bajo la acción de altas temperaturas durante la soldadura, se disolverá una gran cantidad de hidrógeno en el baño fundido. Durante el posterior proceso de enfriamiento y solidificación, debido a la fuerte disminución de la solubilidad, el hidrógeno escapará tanto como sea posible, pero debido al rápido enfriamiento, el hidrógeno no tendrá tiempo de escapar. Permanece en el metal de soldadura para formar hidrógeno difuso.
04
Lágrima laminar
Es un agrietamiento interno a baja temperatura. Se limita al metal base o a la zona afectada por el calor de la soldadura de placas gruesas, y ocurre principalmente en uniones tipo "L", "T" y "+". Se define como una grieta en frío escalonada que se produce en el material base porque la plasticidad de la placa de acero gruesa laminada en la dirección del espesor no es suficiente para soportar la deformación por contracción de la soldadura en esta dirección. Generalmente, se debe a que durante el proceso de laminación de placas de acero gruesas, algunas inclusiones no metálicas en el acero se laminan en inclusiones en forma de tira paralelas a la dirección de laminación. Estas inclusiones provocan una conductividad anisotrópica en las propiedades mecánicas de la placa de acero. Para evitar el desgarro laminar, se puede utilizar acero refinado en la selección del material, es decir, utilizar placas de acero con alto rendimiento en la dirección z. También puede mejorar el diseño de la unión para evitar soldaduras en un solo lado o hacer ranuras en el lado que soporta la tensión en la dirección z.
El desgarro laminar es diferente del agrietamiento en frío. Su aparición no tiene nada que ver con el nivel de resistencia del tipo de acero, sino principalmente con la cantidad de inclusión y la forma de distribución en el acero. Generalmente, los desgarros laminares pueden ocurrir en placas de acero laminadas gruesas, como acero con bajo contenido de carbono, acero de alta resistencia y baja aleación e incluso placas de aleación de aluminio. Los desgarros laminares se pueden dividir aproximadamente en tres categorías según su ubicación:
El primer tipo es el desgarro laminar inducido por grietas frías en el pie o la raíz de la soldadura en la zona afectada por el calor de la soldadura.
El segundo tipo es el agrietamiento por inclusión a lo largo de la zona afectada por el calor de la soldadura, que es el desgarro laminar más común en ingeniería.
El tercer tipo de agrietamiento de inclusiones en el metal base lejos de la zona afectada por el calor generalmente ocurre en estructuras de placas gruesas con más inclusiones de escamas de MnS.
imagen
La forma de desgarro laminar está estrechamente relacionada con el tipo, forma, distribución y ubicación de las inclusiones. Cuando las inclusiones escamosas de MnS son dominantes a lo largo de la dirección de rodadura, el desgarro laminar tiene una forma escalonada clara, cuando está dominado por inclusiones de silicato, es lineal, y cuando está dominado por inclusiones de Al, es irregular. Pisó.
Al soldar estructuras de placas gruesas, especialmente juntas en forma de T y de esquina, bajo restricciones rígidas, la contracción de la soldadura producirá grandes tensiones de tracción y deformación en la dirección del espesor del metal base. Cuando la deformación excede la plasticidad del metal base, cuando se produce la capacidad de deformación, las inclusiones y la matriz metálica se separarán y se producirán microfisuras. Bajo la acción continua de la tensión, las puntas de las grietas se expandirán a lo largo del plano donde se encuentran las inclusiones, formando la llamada "plataforma".
Son muchos los factores que afectan al desgarro laminar, entre los que destacan principalmente los siguientes aspectos:
(1) El tipo, cantidad y forma de distribución de las inclusiones no metálicas son la causa esencial del desgarro laminar. Es la razón fundamental de la anisotropía y las propiedades mecánicas del acero.
(2) Tensión de restricción en la dirección Z
Las estructuras soldadas de paredes gruesas soportan diferentes tensiones de restricción en la dirección Z, tensiones residuales posteriores a la soldadura y cargas durante el proceso de soldadura, que son las condiciones mecánicas que causan el desgarro laminar.
(3) Influencia del hidrógeno
En general, se cree que el hidrógeno es un factor importante que influye en el desgarro laminar inducido por el agrietamiento en frío cerca de la zona afectada por el calor.
Dado que el desgarro laminar tiene un gran impacto y los peligros son muy graves, es necesario juzgar la sensibilidad del acero al desgarro laminar antes de la construcción.
Los métodos de evaluación comúnmente utilizados incluyen la contracción del área de tracción en la dirección Z y el método de tensión crítica del pasador en la dirección Z. Para evitar el desgarro laminar, la contracción del área no debe ser inferior al 15%. Generalmente, se espera que sea del 15 al 20 %. Cuando es del 25%, la resistencia al desgarro laminar se considera excelente.
Para prevenir el desgarro laminar se deben tomar medidas principalmente desde los siguientes aspectos:
(1) Acero refinado
El método de desulfuración temprana del hierro fundido y desgasificación al vacío se puede utilizar ampliamente para fundir acero con contenido de azufre ultrabajo con un contenido de azufre de solo 0.003~0,005%, y su contracción de sección (Z dirección) puede alcanzar el 23~25%.
(2) Controlar la forma de inclusiones de sulfuro.
Convierte el MnS en sulfuros de otros elementos, lo que dificulta su alargamiento durante el laminado en caliente, reduciendo así la anisotropía. Los elementos aditivos más utilizados actualmente son el calcio y los elementos de tierras raras. El acero tratado como se indicó anteriormente puede producir placas de acero laminares resistentes al desgarro con una contracción del área en la dirección Z del 50 al 70%.
(3) Desde la perspectiva de prevenir el desgarro de las láminas, el proceso de diseño y construcción tiene como objetivo principal evitar la tensión en la dirección Z y la concentración de tensión. Las medidas específicas son las siguientes:
1) Se deben evitar en la medida de lo posible las soldaduras unilaterales. En su lugar, utilizar soldaduras bilaterales puede aliviar el estado de tensión en la zona de la raíz de la soldadura y evitar la concentración de tensiones.
2) Utilice soldaduras de filete simétricas con una pequeña cantidad de soldadura en lugar de soldaduras de penetración total con una gran cantidad de soldadura para evitar tensiones excesivas.
3) Se debe hacer un bisel en el lado que soporta la tensión en la dirección Z.
4) Para juntas en forma de T, se puede soldar previamente una capa de material de soldadura de baja resistencia en la placa horizontal para evitar grietas en la raíz de la soldadura y también aliviar la tensión de la soldadura.
5) Para evitar el desgarro laminar causado por el agrietamiento en frío, se deben adoptar algunas medidas para prevenir el agrietamiento en frío tanto como sea posible, como reducir la cantidad de hidrógeno, aumentar adecuadamente el precalentamiento, controlar la temperatura entre capas, etc.
