Le cricche di saldatura si classificano per la loro natura in cricche calde, cricche da riscaldamento, cricche fredde, rotture lamellari, ecc. Di seguito vengono spiegate nel dettaglio le cause, le caratteristiche ed i metodi di prevenzione delle varie cricche.
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crepe calde
Si verifica ad alte temperature durante la saldatura, quindi è chiamata cricca a caldo. È caratterizzato da fessurazioni lungo il confine originale del grano austenite. A seconda dei materiali del metallo da saldare (acciaio ad alta resistenza a bassa lega, acciaio inossidabile, ghisa, lega di alluminio e alcuni metalli speciali, ecc.), anche la forma, l'intervallo di temperatura e le ragioni principali delle cricche a caldo sono diverse. Attualmente le cricche termiche si dividono in tre categorie: cricche cristalline, cricche da liquefazione e cricche polilaterali.
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(1) Cristalli incrinati
Si verifica principalmente nelle saldature di acciaio al carbonio e acciaio bassolegato contenente più impurità (contenenti elevati S, P, C, Si) e acciaio austenitico monofase, leghe a base di nichel e alcune saldature di leghe di alluminio. Questo tipo di cricca si verifica durante il processo di cristallizzazione della saldatura, vicino alla linea del solidus. A causa del ritiro del metallo solidificato, il metallo liquido residuo è insufficiente e non può essere riempito in tempo. La fessurazione intergranulare si verifica sotto l'azione dello stress.
Le misure preventive e di controllo sono: in termini di fattori metallurgici, regolare adeguatamente la composizione del metallo di saldatura, ridurre l'intervallo della zona di temperatura fragile, controllare il contenuto di impurità dannose come zolfo, fosforo e carbonio nella saldatura; affinare i grani primari del metallo d'apporto, cioè aggiungere opportunamente Mo, V, Ti, Nb ed altri elementi; in termini tecnologici, può essere prevenuto preriscaldando prima della saldatura, controllando l'energia della linea, riducendo il vincolo dei giunti, ecc.
(2) Crepe da liquefazione vicino all'area di giunzione
È una sorta di microfessura che si fessura lungo il bordo del grano dell'austenite. Le sue dimensioni sono molto piccole e si verificano nella ZTA vicino all'area della giunzione o tra gli strati. La sua formazione è generalmente dovuta al fatto che il metallo nell'area vicina alla giunzione o il metallo tra i cordoni di saldatura durante la saldatura fa sì che la composizione eutettica a basso punto di fusione sui bordi dei grani di austenite in queste aree venga rifusa ad alte temperature. Sotto l'azione dello stress di trazione, la composizione eutettica a basso punto di fusione delle crepe intergranulari dell'austenite forma crepe di liquefazione.
Le misure di prevenzione e controllo per questo tipo di cricche sono sostanzialmente le stesse previste per le cricche dei cristalli. Soprattutto in metallurgia è molto efficace ridurre il più possibile il contenuto di elementi eutettici bassofondenti come zolfo, fosforo, silicio e boro; in termini di tecnologia, può ridurre l'energia della linea e ridurre la concavità della linea di fusione nel bagno di fusione.
(3) Fessure poligonali
È causato dalla bassa plasticità alle alte temperature durante la formazione dei poligoni. Questo tipo di cricca non è comune e le sue misure di prevenzione e controllo possono includere l'aggiunta di elementi come Mo, W, Ti, ecc. alla saldatura per aumentare l'energia di eccitazione polilaterale.
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riscaldare la crepa
Di solito si verifica in alcuni tipi di acciaio e leghe ad alta temperatura contenenti elementi che rinforzano le precipitazioni (compresi acciai ad alta resistenza bassolegati, acciai perlitici resistenti al calore, leghe ad alta temperatura rinforzate dalle precipitazioni e alcuni acciai inossidabili austenitici). Non sono state riscontrate crepe dopo la saldatura. Invece, si sono verificate crepe durante il processo di trattamento termico. Le cricche da riscaldamento si verificano nelle parti a grana grossa surriscaldate della zona interessata dal calore della saldatura e la loro direzione è quella di espandersi lungo i confini dei grani a grana grossa dell'austenite della linea di fusione.
In termini di selezione del materiale per evitare cricche da surriscaldamento, è possibile utilizzare acciaio a grana fine. In termini di tecnologia, utilizzare un'energia lineare più piccola, utilizzare una temperatura di preriscaldamento e misure di riscaldamento successive più elevate e utilizzare materiali di saldatura a basso adattamento per evitare la concentrazione dello stress.
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crepa fredda
Si verifica principalmente nella zona interessata dal calore della saldatura di acciaio ad alto e medio tenore di carbonio, acciaio a bassa e media lega, ma a volte si verificano cricche a freddo anche nelle saldature di alcuni metalli, come alcuni acciai ad altissima resistenza, titanio e leghe di titanio. In generale, la tendenza all'indurimento del tipo di acciaio, il contenuto e la distribuzione di idrogeno del giunto saldato e lo stato di sollecitazione di vincolo del giunto sono i tre principali fattori che causano cricche a freddo durante la saldatura di acciai ad alta resistenza. Sotto l'azione dell'elemento idrogeno e dello stress di trazione, la struttura martensite formata dopo la saldatura forma cricche fredde. La sua formazione è generalmente transgranulare o intergranulare. Le cricche fredde sono generalmente suddivise in cricche al piede di saldatura, cricche del cordone di saldatura e cricche alla radice.
La prevenzione e il controllo delle cricche a freddo possono iniziare da tre aspetti: la composizione chimica del pezzo, la selezione dei materiali di saldatura e le misure di processo. Dovrebbero essere utilizzati quanto più possibile materiali con un minor contenuto di carbonio equivalente; come materiali di saldatura dovrebbero essere utilizzati elettrodi a basso contenuto di idrogeno e per le saldature dovrebbe essere utilizzato un accoppiamento a bassa resistenza. I materiali di saldatura austenitici possono essere utilizzati anche per materiali con elevata tendenza alla criccatura a freddo; l'energia lineare, il preriscaldamento e il postriscaldamento dovrebbero essere ragionevolmente controllati. Il trattamento termico è una misura di processo per prevenire la fessurazione a freddo.
Nella produzione di saldatura, a causa dei diversi tipi di acciaio e materiali di saldatura utilizzati, del tipo e della rigidità della struttura e delle specifiche condizioni di costruzione, possono verificarsi varie forme di cricche a freddo. Tuttavia, la fessurazione ritardata si riscontra principalmente nella produzione.
Il cracking ritardato si presenta in tre forme:
(1) Incrinatura della punta della saldatura: questo tipo di incrinatura ha origine dall'interfaccia tra il metallo di base e la saldatura e presenta evidenti punti di concentrazione delle sollecitazioni. La direzione della cricca è spesso parallela al cordone di saldatura e generalmente inizia dalla superficie del piede di saldatura e si estende fino alla profondità del metallo base.
(2) Crepe sotto il cordone di saldatura - Questo tipo di fessura si verifica spesso nella zona interessata dal calore della saldatura con una grande tendenza all'indurimento e un elevato contenuto di idrogeno. Generalmente la direzione della fessura è parallela alla linea di fusione.
(3) Crepa alla radice: questo tipo di cricca è una forma comune di cricca ritardata, che si verifica principalmente quando il contenuto di idrogeno è elevato e la temperatura di preriscaldamento è insufficiente. Questo tipo di cricca è simile alla cricca del piede di saldatura e ha origine dalla radice della saldatura dove la concentrazione dello stress è maggiore. Nel segmento a grana grossa della zona interessata dal calore o nel metallo saldato possono verificarsi cricche alla radice.
La tendenza all'indurimento del tipo di acciaio, il contenuto e la distribuzione di idrogeno del giunto saldato e lo stato di sollecitazione di vincolo del giunto sono i tre fattori principali che causano cricche a freddo durante la saldatura di acciai ad alta resistenza. Questi tre fattori sono correlati e si rafforzano a vicenda in determinate condizioni.
La tendenza all'indurimento dei tipi di acciaio è determinata principalmente dalla composizione chimica, dallo spessore della lamiera, dal processo di saldatura e dalle condizioni di raffreddamento. Durante la saldatura, quanto maggiore è la tendenza all'indurimento del tipo di acciaio, tanto più facile sarà la formazione di cricche. Perché l'acciaio si rompe dopo essere stato indurito? Può essere riassunto nei seguenti due aspetti:
(1) Formazione di una struttura martensite fragile e dura: la martensite è una soluzione solida sovrasatura di carbonio nel ferro ɑ. Gli atomi di carbonio esistono come atomi interstiziali nel reticolo cristallino, causando la deviazione degli atomi di ferro dalla posizione di equilibrio e i cambiamenti del reticolo cristallino. Una grande distorsione fa sì che il tessuto sia in uno stato indurito. Soprattutto in condizioni di saldatura, la temperatura di riscaldamento nella zona vicino alla giunzione è molto elevata, causando una notevole crescita dei grani di austenite. Se raffreddata rapidamente, l'austenite grossolana si trasformerà in martensite grossolana. Dalla teoria della resistenza dei metalli si può sapere che la martensite è una struttura fragile e dura, che consuma meno energia quando si verifica la frattura. Pertanto, quando è presente martensite nel giunto saldato, le crepe sono facili da formare ed espandere.
(2) L'indurimento formerà più difetti reticolari: il metallo formerà un gran numero di difetti reticolari in condizioni di squilibrio termico. Questi difetti reticolari sono principalmente posti vacanti e dislocazioni. All'aumentare della deformazione termica nella zona interessata dal calore della saldatura, i posti vacanti e le dislocazioni si sposteranno e si accumuleranno in condizioni di stress e squilibrio termico. Quando la loro concentrazione raggiunge un certo valore critico, si formeranno fonti di crack. Sotto la continua azione dello stress, le crepe macroscopiche continueranno ad espandersi e a formarsi.
L'idrogeno è uno dei fattori importanti che causano cricche a freddo nella saldatura di acciaio ad alta resistenza e ha caratteristiche ritardate. Pertanto, in molti documenti, le cricche ritardate causate dall'idrogeno sono chiamate "fessurazione indotta dall'idrogeno". Studi sperimentali hanno dimostrato che maggiore è il contenuto di idrogeno dei giunti saldati in acciaio ad alta resistenza, maggiore è la sensibilità alle cricche. Quando il contenuto di idrogeno in un'area raggiunge un certo valore critico, inizieranno ad apparire delle crepe. Questo valore è chiamato valore critico per la generazione di cricche. Contenuto di idrogeno [H]cr.
Il valore [H]cr della fessurazione a freddo in vari acciai è diverso ed è correlato alla composizione chimica, alla resistenza dell'acciaio, alla temperatura di preriscaldamento e alle condizioni di raffreddamento dell'acciaio.
(1) Durante la saldatura, l'umidità nel materiale di saldatura, la ruggine, le macchie d'olio sulla scanalatura della saldatura e l'umidità ambientale sono tutte cause di saldature ricche di idrogeno. In circostanze normali, la quantità di idrogeno nel metallo base e nel filo di saldatura è molto piccola, ma l'umidità nel rivestimento dell'elettrodo e l'umidità nell'aria non possono essere ignorate, diventando la principale fonte di idrogenazione.
(2) Le capacità di dissoluzione e diffusione dell'idrogeno in diverse strutture metalliche sono diverse. La solubilità dell'idrogeno nell'austenite è molto maggiore di quella nella ferrite. Pertanto, durante il passaggio dall'austenite alla ferrite durante la saldatura, la solubilità dell'idrogeno diminuisce improvvisamente. Allo stesso tempo, la velocità di diffusione dell’idrogeno è esattamente l’opposto, aumentando improvvisamente durante la trasformazione da austenite a ferrite.
Sotto l'azione dell'alta temperatura durante la saldatura, una grande quantità di idrogeno si dissolverà nel bagno di fusione. Durante il successivo processo di raffreddamento e solidificazione, a causa della forte diminuzione della solubilità, l'idrogeno fuoriuscirà quanto più possibile, ma a causa del rapido raffreddamento l'idrogeno non avrà il tempo di fuoriuscire. Rimane nel metallo saldato per formare idrogeno diffuso.
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Strappo lamellare
È un cracking interno a bassa temperatura. È limitato al metallo di base o alla zona interessata dal calore della saldatura di piastre spesse e si verifica principalmente nei giunti di tipo "L", "T" e "+". È definita come una cricca a freddo a gradini che si verifica nel materiale di base perché la plasticità della lamiera d'acciaio spessa laminata nella direzione dello spessore non è sufficiente per sopportare la deformazione da ritiro della saldatura in questa direzione. In generale, ciò accade perché durante il processo di laminazione di lamiere di acciaio spesse, alcune inclusioni non metalliche nell'acciaio vengono laminate in inclusioni a forma di striscia parallele alla direzione di laminazione. Queste inclusioni causano conduttività anisotropa nelle proprietà meccaniche della piastra di acciaio. Per evitare lacerazioni lamellari, è possibile utilizzare acciaio raffinato nella selezione dei materiali, ovvero utilizzare piastre di acciaio con elevate prestazioni nella direzione z. È inoltre possibile migliorare la progettazione del giunto per evitare saldature su un solo lato o realizzare scanalature sul lato che sopporta la sollecitazione nella direzione z.
La lacerazione lamellare è diversa dalla fessurazione a freddo. La sua presenza non ha nulla a che fare con il livello di resistenza del tipo di acciaio, ma è principalmente correlata alla quantità di inclusioni e alla forma di distribuzione nell'acciaio. In generale, le rotture lamellari possono verificarsi in piastre di acciaio spesse laminate, come acciaio a basso tenore di carbonio, acciaio ad alta resistenza a bassa lega e persino piastre in lega di alluminio. Le rotture lamellari possono essere grossolanamente suddivise in tre categorie a seconda della loro localizzazione:
Il primo tipo è la lacerazione lamellare indotta da cricche fredde nel piede di saldatura o nella radice della saldatura nella zona interessata dal calore della saldatura.
Il secondo tipo è la rottura da inclusione lungo la zona interessata dal calore della saldatura, che è la rottura lamellare più comune in ingegneria.
Il terzo tipo di fessurazione da inclusioni nel metallo base lontano dalla zona termicamente alterata si verifica generalmente in strutture a piastre spesse con più inclusioni di scaglie di MnS.
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La forma della lacerazione lamellare è strettamente correlata al tipo, forma, distribuzione e posizione delle inclusioni. Quando le inclusioni lamellari di MnS sono dominanti lungo la direzione di laminazione, la lacerazione lamellare ha una netta forma a gradino, quando è dominata da inclusioni di silicati è lineare, e quando è dominata da inclusioni di Al è irregolare. Fatto un passo.
Quando si saldano strutture con piastre spesse, in particolare giunti a T e angolari, sotto vincoli rigidi, il ritiro della saldatura produrrà grandi sollecitazioni di trazione e deformazioni nella direzione dello spessore del metallo di base. Quando la deformazione supera la plasticità del metallo base, quando si verifica la capacità di deformazione, le inclusioni e la matrice metallica si separeranno e si verificheranno microfessurazioni. Sotto la continua azione delle sollecitazioni, gli apici delle fessure si espanderanno lungo il piano dove si trovano le inclusioni, formando una cosiddetta “piattaforma”.
Ci sono molti fattori che influenzano le rotture lamellari, principalmente i seguenti aspetti:
(1) Il tipo, la quantità e la forma di distribuzione delle inclusioni non metalliche sono la causa essenziale della lacerazione lamellare. È la ragione fondamentale dell'anisotropia e delle proprietà meccaniche dell'acciaio.
(2) Sollecitazione di vincolo in direzione Z
Le strutture saldate a pareti spesse sopportano diverse sollecitazioni di vincolo nella direzione Z, tensioni residue post-saldatura e carichi durante il processo di saldatura, che sono le condizioni meccaniche che causano la lacerazione lamellare.
(3) Influenza dell'idrogeno
Si ritiene generalmente che l'idrogeno sia un importante fattore che influenza la lacerazione lamellare indotta dalla fessurazione a freddo in prossimità della zona termicamente alterata.
Poiché la lacerazione lamellare ha un grande impatto e i rischi sono molto gravi, è necessario valutare la sensibilità dell'acciaio alla lacerazione lamellare prima della costruzione.
I metodi di valutazione comunemente utilizzati includono il ritiro dell'area di trazione in direzione Z e il metodo della sollecitazione critica in direzione Z del perno. Per evitare lacerazioni lamellari, il restringimento dell'area non deve essere inferiore al 15%. Generalmente, si prevede che sia del 15~20%. Al 25% la resistenza lamellare allo strappo è considerata ottima.
Per prevenire la lacerazione lamellare, le misure dovrebbero essere prese principalmente dai seguenti aspetti:
(1) Acciaio raffinato
Il metodo di desolforazione precoce del ferro fuso e degasaggio sotto vuoto può essere ampiamente utilizzato per fondere acciaio a bassissimo contenuto di zolfo con un contenuto di zolfo di soli 0.003~0,005% e il suo ritiro della sezione (Z direzione) può raggiungere il 23~25%.
(2) Controllare la forma delle inclusioni di solfuro
Trasforma MnS in solfuri di altri elementi, rendendo difficile l'allungamento durante la laminazione a caldo, riducendo così l'anisotropia. Gli elementi additivi attualmente ampiamente utilizzati sono il calcio e gli elementi delle terre rare. L'acciaio trattato come sopra può produrre piastre d'acciaio lamellari resistenti allo strappo con un restringimento dell'area in direzione Z dal 50 al 70%.
(3) Dal punto di vista della prevenzione della lacerazione lamellare, il processo di progettazione e costruzione mira principalmente a evitare sollecitazioni nella direzione Z e concentrazione di sollecitazioni. Le misure specifiche sono le seguenti:
1) Le saldature unilaterali dovrebbero essere evitate il più possibile. L'utilizzo di saldature bilaterali può invece alleviare lo stato tensionale nella zona della radice della saldatura e prevenire la concentrazione delle tensioni.
2) Utilizzare saldature d'angolo simmetriche con una piccola quantità di saldatura invece di saldature a piena penetrazione con una grande quantità di saldatura per evitare stress eccessivo.
3) È necessario realizzare uno smusso sul lato che sopporta la sollecitazione nella direzione Z.
4) Per i giunti a T, uno strato di materiale di saldatura a bassa resistenza può essere pre-saldato sulla piastra orizzontale per evitare crepe alla radice della saldatura e anche per alleviare la tensione di saldatura.
5) Al fine di prevenire la lacerazione lamellare causata dal cracking a freddo, è opportuno adottare il più possibile alcuni accorgimenti atti a prevenire il cracking a freddo, come ridurre la quantità di idrogeno, aumentare opportunamente il preriscaldamento, controllare la temperatura dell'interstrato, ecc.
