Методика модернизации сварочных технологий: от теории к практике

В зависимости от подвижности в металле различают:

• диффузионный (диффузионно-подвижный) водород Hд – способный к диффузионному перемещению в решётке при появлении градиентов концентраций, температур, напряжений, растворимости (в случае разнородных металлов). К этой форме относится атомарный водород, растворённый в решётке;

• закрепленный водород – не способный к диффузии в металле при данных условиях. К этой форме может быть отнесён атомарный водород в ловушках и молекулярный в коллекторах (его также называют связанным, остаточным, металлургическим).

Все формы водорода находятся в термодинамическом равновесии, зависящем от температуры. При повышении температуры свыше определённого уровня начинается заметный переход одних форм водорода в другие: молекулярного – в атомарный, неравновесного – в равновесный, связанного в ловушках – в растворимый.

Поскольку всегда на поверхности ограниченного тела существует градиент концентрации водорода, происходит непрерывный выход (десорбция) HД в атмосферу. [136]

Через определяенный промежуток времени практически весь водород должен десорбироваться из металла, поскольку происходит переход из одной формы существования водорода к другой. При нормальной температуре относительно быстро десорбируется из металла основная часть диффузионного водорода HД, причём переход закреплённого водорода в диффузионный HД развивается чрезвычайно медленно, т. е. закрепленный водород остаётся в металле практически неограниченное время. Сумма концентраций закреплённого водорода и не успевшего выделиться к данному моменту диффузионного водорода HД составляет концентрацию остаточного водорода H0.

Распределение HД по объёму сварного соединения и его концентрацию в любой заданной точке определяют расчетно-экспериментальным способом. Экспериментальная часть способа состоит в определении исходной концентрации диффузионного водорода в металле шва HШ0, в установлении зависимости коэффициента диффузии водорода DH от температуры для шва, зоны термического влияния и основного металла, а также в определении параметров перехода остаточного (металлургического) водорода H0 в основном металле в Hд и обратно при сварочном нагреве и охлаждении. Расчётная часть способа заключается в решении тепловой задачи (для заданных типа сварного соединения и параметров режима сварки) и диффузионной задачи. Последняя для сварки однородных материалов представляет численное решение дифференциального уравнения второго закона Фика, описывающего неизотермическую диффузию водорода с учётом термодиффузионных потоков в двумерной системе координат.

Основные закономерности насыщения сварных соединений водородом следующие:

1) насыщение различных зон сварного соединения водородом можно охарактеризовать двумя параметрами – значением максимальной концентрации HДmax и временем достижения этой или заданной концентрации tmax;

2) для заданных составов шва и основного металла, толщины металла и типа разделки параметры вида HДmax в основном определяются значениями Hш0, а параметры вида tmax – тепловым режимом сварки.

Действие диффузионного водорода при образовании холодных трещин более всего соответствует одному из механизмов обратимой водородной хрупкости. Его особенность заключается в том, что в условиях медленного нагружения источники водородной хрупкости образуются вследствие диффузионного перераспределения водорода и исчезают через некоторое время после снятия нагрузки. При этом важная роль отводится взаимодействию водорода с дислокациями и облегчённому перемещению их комплексов. В металле сварных соединений Hд концентрируется на границах крупных бывших аустенитных зёрен, которые характеризуются повышенной плотностью дефектов кристаллической решётки.

Влияния водородного охрупчивания на процесс разрушения описывают различными механизмами: адсорбционным (действие водорода как поверхностно-активного элемента), молекулярного давления (в результате перехода атомарного водорода в микропоры и его молизация) и др.

На практике структурное состояние оценивают значением твёрдости. Как правило, в технических условиях на сварку изделий указывают допустимое значение твёрдости в диапазоне 200…350 HV. [134]

1.3.1. Методы снижения образования

холодных трещин в сварных соединениях

низколегированных сталей

Предотвращение холодных трещин в сварных соединениях направлено на уменьшение или устранение негативного воздействия основных факторов, способствующих их образованию. Это достигается за счёт:

• регулирования структуры металла сварных соединений;

• снижения концентрации диффузионного водорода в сварочном шве;

• уменьшения уровня сварочных напряжений.

В зависимости от подхода, методы предотвращения холодных трещин можно разделить на три категории:

• Металлургические методы: Эти методы направлены на регулирование структуры металла сварных соединений путём рационального выбора химического состава основного металла и сварочных материалов. Рекомендуется минимизировать содержание углерода и легирующих элементов, способствующих повышенной прокаливаемости сталей, при этом обеспечивая необходимые механические свойства шва и зоны термического влияния. [132,135,136]

• Технологические методы: Эти методы включают регулирование структуры металла сварных соединений путём выбора оптимального теплового режима сварки. Для этого применяются следующие подходы:

1. Увеличение удельной погонной энергии q/υδ до максимально допустимого значения (при условии качественного формирования шва, соответствующего стандартам);

2. Применение предварительного и сопутствующего подогрева, послесварочного нагрева, а также термической обработки, такой как высокий отпуск или отжиг.