Pęknięcia są głównymi przyczynami niedoskonałości powstałych po procesie spawania. Stanowią one zagrożenie dla wytrzymałości spoiny.

Pęknięcia ze względu technologicznego dzielimy na:

• zimne,
• gorące,
• lameralne,
• wyżarzeniowe.

W tym artykule chciałbym szerzej omówić pęknięcia zimne.

Pęknięcia zimne mogą one występować w spoinie lub SWC. Występują one głównie w stalach martenzytycznych.

Pęknięcia zimne spowodowane są przez dwa czynniki:

• przemianę austenitu w martenzyt (pękanie wywołane kruchością martenzytu),
• wodór ( pękanie pod ściegiem).

W pierwszym przypadku pękanie najczęściej biegnie od brzegu lub grani spoiny. Spowodowane to jest różnicami temperatur Ms (martensit start) pomiędzy materiałem rodzimym a spoiną. Ms warunkuje głównie zawartość węgla oraz pierwiastków stopowych. Pękanie na zimno spowodowane kruchością martenzytu może występować w spoinie a także w strefie wpływu ciepła. Jeżeli spoina ma większą hartowność niż SWC, to w spoinie pojawią się pęknięcia i na odwrót. Wiąże się to z efektem wzajemnego usztywnienia spoiny i SWC.

Pękanie pod ściegiem wynika z dyfuzji wodoru. Wodór dyfunduje w austenicie. Dopóki spoina pozostaje w stanie austenitycznym, wodór dyfunduje w kierunku materiału rodzimego. Zachodząca przemiana perlityczna lub martenzytyczna powoduje obniżenie rozpuszczalności wodoru w spoinie. Wymusza to dyfuzje wodoru ze spoiny poprzez linię wtopienia do SWC, która pozostaje austenityczna. Wodór w SWC koncentruje się pod ściegiem. Przy dalszym chłodzeniu następuje przemiana martenzytyczna. Front przemiany martenzytycznej spotyka się z frontem wodoru. Nasycenie martenztytu wodorem  powoduje,  iż staje się on bardzo kruchy, stąd powstaje pękanie pod ściegiem.

Pękanie zwłoczne jest kolejnym typem pęknięć na zimno. Pękanie to charakteryzuje się tym, że występuje po jakimś czasie po ukończeniu spawania. Pękanie rozprzestrzenia się w sposób nieciągły. Wodór odgrywa tutaj znaczącą rolę. Dyfunduje on bowiem do miejsc, w których występuje największe naprężenia hydrostatyczne. Obszary te to obszar pod dnem karbu lub pęknięcia i znajduje się na brzegu strefy odkształceń plastycznych. Koncentracja wodoru w tych rejonach powoduje zwiększenie kruchości i możliwość pęknięć.

Pękanie typu “chevron”, czyli charakterystyczne “choinki” powstające w spoinach, też najprawdopodobniej  spowodowane jest przez wodór.

Pękanie to występuje po spawaniu , w którym stosowano zasadowy topnik lub elektrody niewysuszone bezpośrednio przed procesem. Pierwszy etap pękania to międzykrystaliczne pękanie wodorowe powstające we wcześniejszych ściegach, a drugi etap to ich dalszy rozwój za pomocą mechanizmu pękania trans krystalicznego kruchego spowodowanego nadmiarem wodoru.

Skłonność materiału do pękania na zimno można wyliczyć matematycznie. Przy tworzeniu się pęknięć zimnych, głównie czynniki to:

• zwiększona hartowność stali,
• nadmiar wodoru,
• naprężenia.

Hartowność w procesie spawania wynika ze składu chemicznego, masy elementów spawanych, temperatury spawania, temperatury chłodzenia oraz warunków spawania. Praktycznie ustalono, że C_e<0,45% i twardość SWC nie przekracza 350HV, to materiał jest dobrze spawalny. Wartości C_e i twardość SWC możemy obliczyć ze wzorów sumarycznych.

C_e jest to równoważnik chemiczny węgla, dobrze znany wszystkim spawalnikom

Utwardzenie w SWC jest uzależnione z C_e poniższym wzorem

Hv = 1200Ce-200

Ważnym czynnikiem jest również tzw. współczynnik usztywnienia K uzależniony od grubości spawanych elementów

k=70*g, gdy g=<40mm

k=2800, gdy g>40

g- grubość blach

Biorąc pod uwagę wszystkie wyżej wymienione czynniki, Ito i Bessyo wyprowadzili równanie opisujące skłonność materiału do pękania na zimno

H_D- zawartość wodoru dyfundującego (ml/100g stopiwa)

R_Fy- współczynnik usztywnienia

P_cm - parametr charakteryzujący kruchość związaną z przemianami fazowymi.

uważa się, że dla P_w<0,3 pęknięcia nie występują, dla P_w>0,4 pojawienie się pęknięć jest nieuniknione.

W celu zmniejszenia możliwości występowania pęknięć zimnych powinno stosować się następujące zabiegi:

• obniżyć ilość dyfundującego wodoru przed dobór odpowiednich elektrod
• zmniejszyć sztywność konstrukcji
• zastosować metodę spawania, która wyklucza zajście przemiany martenzytycznej

Poniżej prezentuje schemat przedstawiający przyczyny i sposoby zapobiegania (powstawania) pęknięć zimnych

Autor: mgr inż. Artur Mydlarz