Każdy doświadczony personel spawalniczy zna ten scenariusz: proces spawania zakończony, spoina wizualnie spełnia wymagania (VT), sprzęt zostaje zebrany. Jednak po powrocie na zmianę, często po 24 lub 48 godzinach, na spoinie widoczna jest rysa. Badania nieniszczące (NDT) potwierdzają najgorsze – pęknięcie.

Zjawisko to w literaturze fachowej określane jest jako pęknięcia zimne, wodorowe lub zwłoczne (delayed cracking). Jest to jeden z najbardziej podstępnych defektów spawalniczych, ponieważ ujawnia się dopiero po ostygnięciu złącza – zazwyczaj poniżej temperatury 200°C, a nierzadko po upływie kilkudziesięciu godzin od zakończenia prac. Generuje to ogromne koszty związane z koniecznością wycinania i ponownego spawania, często już na etapie montażu końcowego.

Mechanizm powstawania: Trzy czynniki ryzyka

Aby doszło do powstania pęknięcia zimnego, muszą jednocześnie wystąpić trzy czynniki. W inżynierii materiałowej sytuację tę często przedstawia się jako trójkąt pęknięć. Wyeliminowanie lub znaczne ograniczenie choćby jednego z tych czynników zazwyczaj wystarcza, by uniknąć awarii.

1. Obecność wodoru dyfundującego (Czynnik inicjujący) To główny winowajca procesu. Wodór atomowy wnika w ciekłe jeziorko spawalnicze z ogromną łatwością. Jego źródłem jest zazwyczaj wilgoć – pochodząca z niedostatecznie wysuszonych elektrod, wilgotnego topnika, a także z zanieczyszczeń powierzchni materiału (rdza, farba, smary). Podczas stygnięcia rozpuszczalność wodoru w stali gwałtownie spada. Gaz próbuje wydostać się z metalu (dyfuzja). Jeśli proces stygnięcia przebiega zbyt szybko, wodór zostaje uwięziony w strukturze (w tzw. pułapkach wodorowych), co prowadzi do generowania ogromnego ciśnienia wewnętrznego rozsadzającego materiał.

2. Krucha struktura materiału (Podatność na hartowanie) Ryzyko pęknięć wzrasta w stalach stopowych oraz wysokowęglowych. Jeśli takie materiały stygną zbyt gwałtownie (brak kontroli czasu stygnięcia t8/5), w Strefie Wpływu Ciepła (SWC) tworzą się struktury hartownicze, głównie martenzyt. Martenzyt jest strukturą bardzo twardą, ale jednocześnie kruchą i mało plastyczną. Nie ma zdolności do odkształcania się i przenoszenia obciążeń – pod wpływem naprężeń po prostu pęka.

3. Stan naprężenia (Sztywność konstrukcji) Trzecim elementem są naprężenia spawalnicze. Wynikają one z naturalnego skurczu stygnącego metalu oraz ze sztywności samej konstrukcji. W warunkach przemysłowych rzadko spawa się elementy swobodne. Zazwyczaj blachy są utwierdzone, a geometria złącza (np. duże grubości materiału) uniemożliwia swobodną deformację. Prowadzi to do kumulacji potężnych naprężeń rozciągających w obszarze spoiny.

Praktyka warsztatowa: Jak unikać pęknięć zimnych?

Skuteczna prewencja opiera się na świadomym sterowaniu procesem technologicznym. Poniższe zasady powinny być bezwzględnie przestrzegane przez nadzór i spawaczy:

• Reżim materiałowy (Walka z wodorem): Kluczowe jest stosowanie materiałów niskowodorowych. Elektrody otulone i topniki (w procesie łuku krytego) muszą być suszone zgodnie z zaleceniami producenta lub przechowywane w odpowiednich termosach. Niedopuszczalne jest używanie materiałów, które uległy zawilgoceniu.

• Podgrzewanie wstępne (Preheating): Jest to najskuteczniejsza metoda obrony. Podgrzanie materiału przed spawaniem do określonej temperatury spowalnia proces stygnięcia całego złącza. Daje to dwie korzyści:

  1. Wodór ma czas na swobodną dyfuzję (ucieczkę) z metalu spoiny.

  2. Zapobiegamy tworzeniu się kruchych struktur martenzytudzię, dzięki łagodniejszemu gradientowi temperatur.

• Czystość złącza: Mechaniczne usunięcie rdzy, zgorzeliny, farby czy oleju z obszaru spawania i strefy przyległej jest obowiązkowe. Wszelkie związki organiczne i tlenki są bogatym źródłem wodoru. Należy szlifować materiał do czystego metalu.

• Dobór parametrów: Stosowanie odpowiedniej energii liniowej spawania pozwala kontrolować wprowadzane ciepło i szybkość chłodzenia.

Podsumowanie

Pęknięcia zimne to problem, którego nie widać "na gorąco". Dlatego tak ważna jest dyscyplina technologiczna na etapie przygotowania i spawania. Koszt suszenia elektrod czy podgrzania materiału jest ułamkiem kosztów, jakie generuje naprawa pękniętych spoin wykrytych podczas badań MT (magnetyczno-proszkowych) lub UT (ultradźwiękowych). W spawalnictwie pośpiech i pomijanie procedur niemal zawsze kończy się stratami.