Термическая обработка сварных соединений

Термическая обработка – тепловое воздействие на металл, при котором происходит изменение строения, фазового или напряженного состояния, уровня свободной энергии, величины микро- и макронапряжений (рис. 30).

Рис. 30. Виды термической обработки

Для различных по составу сталей воздействие источника сварочного тепла на зоны сварного соединения будет различным. В соответствии с этим различны задачи последующей термической обработки сварных соединений.

Закалка аустенитных сталей – нагрев до Т = 1050. 1200 °С с последующим охлаждением на воздухе, в масле или воде. При такой обработке в аустените растворяются карбиды и сталь становится гомогенной, однородной, чисто аустенитной. Такую обработку называют аустенизацией.

Закалка конструкционных сталей – нагрев до температуры на 50. 100 °С выше Ас₃ (завершение перехода ), небольшая выдержка и охлаждение со скоростью более критической в воде, масле или на воздухе. Основной фазой при этом должен стать мартенсит. Закалка является промежуточной операцией термической обработки.

Высокий отпуск закаленных сталей – нагрев до температуры несколько ниже Ас₁ (550. 650 °С), длительной выдержки и последующего медленного охлаждения. При этом происходит распад мартенсита с образованием мелкой ферритно-цементитной смеси – сорбита, понижение прочности и повышение пластичности и ударной вязкости, а также снижение остаточных напряжений.

Старение – нагрев до Т = 300. 650 °С и длительная выдержка с последующим медленным охлаждением. При этом происходит выделение мелкодисперсных упрочняющих фаз, повышается прочность, а вязкость и пластичность понижаются.

Но если выделение дисперсной фазы происходит из вязкой матрицы, то операция старения позволяет повысить и вязкость за счет свойств матрицы. Применяется для аустенитных и высоколегированных мартенситно-стареющих сталей С, V, Ti, Nb, Mo, А1, которые образуют карбиды, интерметаллиды и карбидонитриды.

Нормализация – нагрев до температур на 100. 150 °С выше Ас₃, непродолжительная выдержка и охлаждение на спокойном воздухе. При этом обеспечиваются перекристаллизация и изменение зерна в перегретой стали, однородность, гомогенность состава и размеров зерна, улучшаются механические свойства, снижается уровень остаточных напряжений.

Отпуск в зависимости от температурного интервала может быть низким (при 120. 250 °С), средним (при 350. 450 °C) и высоким (при 500. 650 °С). Низкий и средний отпуски не преследуют цели изменения фазового состава или структуры стали, а применяются для снижения микро- или макронапряжений в обрабатываемом изделии.

Отпуск увеличивает подвижность атомов, способствует переходу системы в более равновесное и однородное состояние. Отпуск, даже низкий, способствует началу распада мартенсита, уменьшению искажений решетки и снижению микронапряжений.

Для сталей, закаленных на мартенсит, снижение уровня микронапряжений начинается с температуры 150 °С и завершается после выделения углерода из решетки –железа и начала коагуляции образовавшихся карбидов (350. 450 °С).

Другим фактором, создающим микронапряжения, является наклеп. Снять эти напряжения можно при нагреве на 150. 200 °С. Процесс этот называют возвратом (возврат к неискаженной кристаллической решетке).

Возникновение макронапряжений связано с неравномерностью нагрева сварного соединения, с термодеформационным циклом сварки, а также с изменением объема, сопровождающим структурные изменения в стали. Все это приводит к образованию временных или остаточных напряжений.

Остаточные напряжения могут быть снижены технологическими (изменение погонной энергии при сварке, правильная последовательность наложения швов и др.) и термическими способами (предварительный или сопутствующий подогрев, высокий отпуск).

Подогрев уменьшает градиент температур между зонами сварного соединения и разницу объемных изменений в металле, обеспечивает распад аустенита при более высокой температуре с образованием более равновесных структур.

Отжиг – нагрев выше Ас₁, длительная выдержка и медленное охлаждение (50. 100 °С/ч). При этом обеспечиваются гомогенизация состава стали, минимальный уровень остаточных напряжений, низкая твердость и прочность стали. Однако наблюдается существенное укрупнение зерен феррита.

Для сварных конструкций применяются редко. В частности, выполняют рекристаллизационный отжиг (отпуск) – нагрев холоднодеформированной стали до температуры 450. 500 °С.

Термомеханическая обработка (ТМО) стали заключается в пластической деформации, проводимой для повышения плотности дислокаций, которая наследуется при последующей термической обработке. При высокотемпературной ТМО (ВТМО) деформация металла происходит при температуре, которая выше температуры рекристаллизации. ВТМО может быть использована для повышения прочности сварных соединений. Для этого применяют проковку или прокатку сварного шва, нагретого до Т = 850. 950 °С.

При последующем охлаждении повышается прочность металла шва и наследуется повышенная плотность дислокаций. Если металл содержит элементы, способные вызвать эффект дисперсного упрочнения (V, N, Ti и др.), то эффект упрочнения увеличивается. ВТМО – проковка или прокатка сварного шва, нагретого до Т = 850. 950 °С.

Контрольные вопросы к главе 4

1. Какими факторами определяется сопротивляемость сварного соединения образованию горячих трещин?

2. Какие способы применяются для повышения сопротивляемости сварных соединений образованию горячих трещин?

3. Как влияет химический состав металла шва на процесс образования горячих трещин?

4. Как можно изменить темп деформаций при сварке и пластичность металла шва?

5. Что такое холодная трещина?

6. Какие факторы способствуют образованию холодных трещин?

7. Для чего применяют предварительный подогрев металла?

8. Какой вид термообработки позволяет повысить вязкость сварного соединения?

Сварные соединения после сварки имеют неоднородную структуру металла, что является следствием неравномерного нагрева различных зон сварного соединения. Поэтому механические (прочность, твердость, пластичность) и специальные (коррозионная стойкость, жаропрочность, хладостойкость) свойства различных зон сварного соединения становятся неодинаковыми. Такое положение усугубляется наличием остаточных сварочных напряжений, которые образуются при кристаллизации металла сварного шва. Эти напряжения могут вызвать нежелательные изменения формы и размеров сварных соединений и появление в них трещин, что приводит иногда к разрушению сварных соединений. Остаточные сварочные напряжения снижают также механические и специальные свойства сварных соединений. Поэтому для ответственных сварных соединений необходимы такие технологические операции, которые улучшают структуру и свойства сварных соединений.

Одной из основных операций, направленных на повышение надежности сварных соединений, является термическая обработка. Этот вид обработки сварных соединений трубопроводов и корпусных конструкций широко применяют при монтаже предприятий нефтехимической, нефтеперерабатывающей, энергетической, химической и других отраслей народного хозяйства. На заводах термическую обработку выполняют в стационарных термических печах, а в монтажных условиях обычно осуществляют местную термическую обработку сварных соединений трубопроводов и корпусных конструкций, когда нагреву подвергается сварной шов и прилегающие к нему участки основного металла на ограниченной ширине. В некоторых случаях корпусные конструкции или^ участки трубопроводов подвергают полной термической обработке, заключающейся в нагреве всей конструкции или участка трубопровода вместе со сварными соединениями.

Местная и полная термическая обработка всех видов состоит из трех последовательных этапов — нагрева сварного соединения до определенной температуры с заданной скоростью, выдержки при этой температуре в течение определенного времени и последующего охлаждения с заданной скоростью. Для сварных соединений кроме таких широко известных видов термической обра! ботки, как высокий отпуск и нормализация, применяется также термический отдых, аустенизация, стабилизирующий отжиг и «улучшение» (нормализация с последующим высоким отпуском).

Высокий отпуск является основным видом термической обработки в монтажных условиях, он позволяет на 70—90% снизить уровень остаточных сварочных напряжений. При высоком отпуске применяют медленную скорость охлаждения после окончания выдержки (300— 400 °С/ч) до 300 °С, что достигается охлаждением сварных соединений под слоем теплоизоляции, после чего допускается охлаждение на воздухе. Основным отличием нормализации сварных соединений от этого вида термической обработки является охлаждение под слоем теплоизоляции после окончания выдержки, что гарантирует высокую пластичность металла сварных соединений. Термический отдых применяют для сварных соединений, металл которых имеет повышенную склонность к образованию трещин. Сварные соединения для этого нагревают до 250—300 °С и затем подвергают выдержке в течение нескольких часов. При термическом отдыхе в сварных соединениях уменьшается содержание водорода и несколько снижается уровень остаточных сварочных напряжений.

Аустенизацию и стабилизирующий отжиг используют для термической обработки сварных соединений из хро-моникелевых и нержавеющих сталей. При аустенизации сварное соединение нагревают до 1050—1100 °С, выдерживают в течение 1—2 ч и охлаждают на воздухе. В результате удается получить однородную структуру аусте-нита, улучшить механические свойства металла (особенно пластичность) и на 70—80% снизить уровень остаточных сварочных напряжений. При стабилизирующем отжиге сварное соединение нагревают до 950—970 °С, выдерживают в течение 2—3 ч и охлаждают на воздухе.

При местной термической обработке сварных соединений применяют несколько способов нагрева обрабатываемых изделий — радиационный (электрический метод сопротивления и газопламенный), индукционный, комбинированный и термохимический. При выборе способа нагрева следует учитывать необходимость получения минимального перепада температуры по толщине конструкции и обеспечения равномерного нагрева по всей длине сварного соединения.

Сущность радиационного метода нагрева заключается в передаче тепла от источника нагрева к нагреваемому изделию через теплоноситель, которым является нагретый воздух. В электронагревателях сопротивления тепло выделяется в нагревательном элементе (нихромо-вой проволоке, ленте) в момент прохождения по нему электрического тока. Газопламенный способ заключается в подводе тепла, выделяющегося при сгорании, с внешней стороны изделия. Горючими газами являются ацетилен, пропан-бутановая смесь, природный газ в смеси с кислородом или воздухом. При индукционном способе сварное соединение нагревается электрическим током, индуктируемым в металле переменным электромагнитным полем. Индукционный нагрев при местной термической обработке выполняется токами промышленной и повышенной (2500—8000 Гц) частоты. Комбинированный способ нагрева заключается в применении электронагревателей комбинированного действия, когда используются способы сопротивления, и индукционный — токами промышленной частоты. При этом нагрев осуществляется, главным образом, за счет метода сопротивления, индукционная составляющая оказывает меньшее тепловое воздействие. При термохимическом способе нагрева необходимое тепло образуется при сгорании пакетов из экзотермических смесей, устанавливаемых на сварное соединение. Эти смеси, в состав которых входят окислы алюминия, соединения серы и фосфора, при сгорании

Выделяют большое количество тепла. Основным прёиму ществом этого способа является возможность проведе ния термической обработки без электроэнергии.

При полной термической обработке корпусных кон струкций главным образом используется газопламенный нагрев с помощью специального передвижного оборудования, которое легко перемещается от одного объекта термической обработки к другому. Полную термическую обработку отдельных узлов трубопроводов выполняют в стационарных термических печах или с помощью индукционного нагрева перемещающимися индукторами.

Сварка — самый надежный, быстрый и экономичный способ создания неразъемных соединений металлов и их сплавов. В ходе сварочного процесса металл нагревается до температуры плавления. Это вызывает в нем внутренние напряжения. Кроме того, на поверхности сварочного шва остается шлак. Для удаления шлака и снятия внутренних напряжений в металле применяются различные способы обработки сварного шва.

Основные способы обработки сварных соединений

Наиболее распространенными стали следующие методы обработки сварного шва:

• Термическая. Применяется для ликвидации внутренних остаточных напряжений. Проводится путем локального или общего прогрева.
• Механическая. Зачистка сварных швов после сварки удаляет шлаки и окалину с поверхности соединения.
• Химическая. Состоит из обезжиривания и покрытия защитным слоем. Препятствует возникновению коррозионных очагов. Метод используют для обработки материалов, подверженных коррозии, которым предстоит работать в активных средах.

Способ воздействия выбирают, применяясь к техническим требованиям к конструкции и условиям ее эксплуатации. Часто применяют последовательно все три метода.

Термообработка

Термическая обработка сварных соединений обязательно проводится после сварки тонкостенных изделий, особо подверженных деформациям под воздействием внутренних напряжений. К таким конструкциям относятся трубопроводы, различные емкости, сосуды давления.

Термическая обработка сварного шва

Проводится термообработка и для большинства ответственных конструкций, таких, как корпуса атомных и химических реакторов.

Заключается термообработка в нагреве детали и ее последующем охлаждении по строго заданному температурному графику.

Зачем нужна

В ходе сварки нагревается небольшая область детали в районе шва. Неравномерный прогрев и приводит к возникновению внутренних напряжений, способных деформировать или даже разрушить деталь. Кроме того, в зоне неравномерного нагрева изменяется структура кристаллической решетки металла, что приводит к ухудшению его физико-механических и химических свойств.

Рядом со сварным швом зона закалки, в которой прочность повышена, а упругость, наоборот, понижена. Ее окружает зона разупрочнения, в которой пластичность сохраняется, а прочность становится ниже, чем была до сваривания.

Термическая обработка сварных соединений призвана восстановить внутреннее строение металла и его свойства, вернуть характеристики прочности, пластичности и коррозионной устойчивости к проектным значениям.

Особенности проведения

Обработка осуществляется при высоких температурных значениях, в диапазоне 600- 1000 °С. Это позволяет преодолеть негативные последствия неравномерного нагрева и приблизить структуру шва и околошовной зоны к структуре самой детали.

Обработка проходит в три стадии:

• Нагревается область рядом со швом.
• Конструкция выдерживается некоторое время в нагретом состоянии.
• Изделие охлаждается в соответствии с графиком обработки.

Процесс термообработки швов на трубопроводе

Существует несколько видов обработки сварного шва. Выбор зависит от конфигурации конструкции, толщины детали и цели, которую собираются достигнуть.

Для каждого вида обработки применяется свой специфический график нагрева, выдержки и охлаждения.

Достоинства и недостатки

К достоинствам обработки нагревом относят:

• Восстановление целевых характеристик прочности и пластичности;
• Снятие внутренних напряжений, обеспечение долговечности шва и всей конструкции;
• Улучшение, при необходимости, этих показателей.

Отрицательные моменты при проведении обработки нагревом следующие:

• Высокие требования к квалификации работников.
• Необратимость процессов. В случае несоблюдения графика термообработки сварных швов исправить брак практически невозможно.
• Требуется дорогостоящее и громоздкое оборудование
• Высокое энергопотребление, низкая экологичность.

В большинстве случаев преимущества перевешивают недостатки.

Что подвергают обработке

Термообработке подвергают сварные швы в ответственных конструкциях. Сюда входят

• магистральные трубопроводы
• сварные конструкции различных механизмов и станков, испытывающих высокие нагрузки
• изделия, которым предстоит работать в сложных условиях эксплуатации.

При термообработке сравнительно небольших изделий используют муфельные печи.

Самодельная муфельная печь

Для обработки нагревом габаритных конструкций применяют нагрев пламенем газовых горелок или индукционный способ. В отдельных случаях применяют радиационный метод.

Термообработку для повышения коррозионной стойкости следует проводить по возможности скорее по окончании сварки.

Параметры проведения процесса

Продолжительность процесса во многом определяется маркой сплава и толщиной заготовки. Для хром-молибденовых сплавов применяют индукционный или радиационный способы нагрева. С увеличением толщины типовая продолжительность нагрева (в минутах) растет:

Толщина детали, см	Радиационный	Индукционный
2,0	40	25
2,0-2,5	70	40
2,5-3,0	100	40
3,0-3,5	120	60
3,5-4,5	140	70
4,5-6,0	150	90
6,0-8,0	160	110

Индукционный способ требует меньшего времени на обработку, но отличается большими энергозатратами. Перед обработкой следует обязательно выполнить зачистку сварочного шва.

Используемое оборудование

Термообработка сварных швов выполняется с использованием нескольких основных способов, каждый требует своего набора оборудования:

• Индукционный. Требует генератора высокочастотного переменного тока большой мощности. Нагревательным элементом является катушка индуктивности, намотанная поверх участка детали, подлежащего нагреву.
• Радиационный. Используется инфракрасное излучение от нагретой нихромовой проволоки, через которую пропускается сильный электрический ток. Требует мощных источников тока. Может применяться для прогрева материалов со слабыми электромагнитными свойствами.
• Газовый. Наиболее экономичный по энергозатратам способ. Используется специальная горелка. Факел пламени формируется так, чтобы равномерно прогневать зону термообработки.

Выбор метода нагрева проводят, сопоставляя цель обработки, толщину конструкций, характеристики материала и экономические соображения.

Виды термической обработки

Виды термообработки сварных швов различаются по своей цели. Специалисты отличают следующие процессы:

• Отдых. Конструкцию доводят до 300 °С и выдерживают полтора — два часа. Снижает механические напряжения и снижает содержание водорода в материале шва.
• Отпуск. Состоит в нагреве до 700 °С и трехчасовой выдержке. Практически полностью снимает напряжения, дает возможность повысить пластичность.
• Нормализация. Всю конструкцию, включая шов, нагревают до 800 °С и выдерживают 30-40 минут. Позволяет достичь однородности и мелкозернистости структуры металла. Используется на изделиях малой толщины.
• Аустенизация. Изделие нагревают до 1100 °С и выдерживают 120 минут. Охлаждение проводят при комнатной температуре. Повышает пластичность высоколегированных сплавов за счет преобразования их кристаллической структуры.
• Отжиг. Нагрев до 960 ° С, трехчасовая выдержка и остывание при комнатной температуре. Используется для высоколегированных сплавов для повышения коррозионной стойкости.

Как правило, перед термообработкой проводится зачистка сварного соединения.

Контроль температуры

При проведении термообработки ключевое значение имеет температура нагрева конструкции. Для контроля температуры применяют:

• Термокарандаш и термокраска. Представляют собой химическое соединение, меняющее цвет по мере изменения температуры. Наносятся на поверхность изделия.
• Тепловизоры и пирометры. Электронные устройства, дистанционно измеряющие температуру.

Термокарандаши и термокраска – традиционные средства, достаточно трудоемкие в применения и требующие постоянного визуального контроля со стороны оператора и его оперативного вмешательства в случае выхода параметров за пределы допустимых значений.

Тепловизоры и пирометры обладают большей точностью и могут быть встроены в автоматическую систему поддержания постоянной температуры.

Другие виды обработки

Кроме термообработки, широко используются также механические и химические виды очистки сварных швов.

Механическая

Проводится с использование проволочных щеток или абразивных дисков. В промышленных условиях щетка, диск или лепестковая абразивная насадка закрепляет в угловой шлифовальной машинке (в быту называемой «болгарка»)

Способом механической зачистки с поверхности соединения удаляют шлаки, окалину, брызги застывшего металла и оксидную пленку.

Механическая обработка сварного шва

Зачистка сварного шва после сварки применяется перед термообработкой или покраской.

Химическая

Призвана удалить с поверхности шва следы жира, смазки, оксидные пленки и другие загрязнения. Проводится перед нанесением на конструкцию покрытий, предохраняющих от коррозии.

Травление — обработка сильнодействующими кислотами — проводится перед механической обработкой. После нее проводят пассивацию — нанесение вещества, образующего на поверхности защитную пленку.

Химическая обработка сварного шва

Химическая обработка металла проводится химически активными веществами, многие из которых пожароопасны и могут причинить серьезный вред здоровью. Поэтому следует строго соблюдать правила техники безопасности.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.