4. Термическая обработка сварной конструкции
В зависимости от применяемых материалов и условий эксплуатации термическая обработка сварных конструкций может преследовать различные цели и одновременно выполнять многие функции. Целями проведения термической обработки теплоустойчивых сталей являются:
получение необходимых свойств шва и околошовной зоны,
снятие остаточных напряжений,
стабилизация размеров конструкций при эксплуатации (особенно это важно энергетического оборудования, крупных конструкций, которые находится под воздействием различных температур и нагрузок).
Термическая обработка сварных конструкций должна рассматриваться с учетом характера изменения структуры и свойств не только в зоне повышения твердости, но и в зоне разупрочнения. При выборе режимов термической обработки сварных конструкций из теплоустойчивых сталей необходимо учитывать следующие металлургические и технологические особенности сварки:
1. В процессе многослойной сварки каждый последующий валик термически воздействует на предыдущий и околошвную зону. В результате металл шва и зоны термического влияния (за исключением верхнего слоя) подвергаются высокотемпературному нагреву, который происходит при больших скоростях и сопровождается быстрым охлаждением. При этом заметного роста зерна не наблюдается, т.к. время пребывания металла отдельных валиков и зоны термического влияния при высокой температуре кратковременное. Основные изменения связаны с прочностью и пластичностью сварного соединения в целом. В околощовной зоне наблюдается скачкообразное повышение и понижение твердости.
2. Температура термической обработки при улучшении свойств околошовной зоны должны обеспечить снижение внутренних напряжений первого рода до возможно минимального значения. (Например, в энергомашиностроении максимальные значения остаточных напряжений в сварных конструкциях не должно превышать 50 МПа).
3. В процессе термической обработки должны быть сохранены исходные механические свойства свариваемой стали. Т.е. двух-, трехкратная термическая обработка после сварки не должна приводить к разупрочнению сталей, металла шва и сварного соединения в целом.
4. Выбранный режим термической обработки должен обеспечить высокие пластические свойства околошовной зоны при длительной эксплуатации в условиях одновременного приложения температуры и нагрузки при одновременном обеспечении прочности в зоне разупрочнения.
Основными видами термической обработки теплоустойчивых сталей являются высокий отпуск и нормализация.
Высокий отпуск после сварки нельзя рассматривать как самостоятельную термическую обработку, наоборот её необходимо увязывать с исходным отпуском стали перед сваркой. В общем случае сварное соединение нагревается до температуры на 20…30 оС ниже температуры Ас1, выдерживается в течение 1 5 часов и затем медленно охлаждается. В результате отпуска должно произойти:
уменьшение уровня остаточных сварочных напряжений на 70 90 %,
распад закалочных структур околошовной зоны, получение более равновесных, более пластичных структур (т.е. улучшение структуры околошовной зоны),
получение оптимальных свойств (т.е. уменьшение твердости в околошовной зоне, повышение пластичности и ударной вязкости).
При выборе температуры отпуска следует оценивать комплексно все факторы, при этом необходимо ограничивать как верхний, так и нижний пределы температуры отпуска. Так при повышении содержания хрома, молибдена, ванадия и др. элементов повышается релаксационная стойкость стали, поэтому температура отпуска и время выдержки должны увеличиваться. При занижении температуры отпуска хромомолибденованадиевых сталей возможно дисперсионное твердение (выделение карбидов ванадия в околошовной зоне) и образование трещин при термической обработке.
Отпуску подвергаются изделия толщиной более 10 мм из хромомолибденовых сталей и более 6 мм из хромомолибденованадиевых сталей.
Режимы отпуска сварных соединений, сваренных дуговой сваркой
Таблица 5.
Марка стали |
Толщина свариваемых деталей, мм |
Минимальная продолжительность выдержки, ч |
Температура отпуска, Т, оС |
12МХ, 12ХМ, 15ХМ. 20ХМЛ |
10 20 20 40 40 80 более 80 |
1 2 3 4 |
715 15 |
12Х1МФ, 20ХМФЛ |
6 10 10 20 20 40 40 80 более 80 |
1 2 3 4 5 |
735 15 |
15Х1М1Ф, 15Х1М1ФЛ, 12Х2МФСР |
6 10 10 20 20 40 40 80 более 80 |
1 2 3 4 5 |
745 15 |
При нормализации сварное соединение нагревают до температуры выше критической точки Ас3 на 20 30 оС, выдерживают в течение не продолжительного времени и охлаждают на спокойном воздухе. Нормализация позволяет получить однородную мелкозернистую структуру, улучшить механические свойства сварного соединения, снизить уровень остаточных напряжений. Нормализация чаще всего подвергаются сварные стыки толстенных труб малого диаметра и после газовой сварки.
Возможно сочетание нормализации и последующего высокого отпуска (сталь 15Х1М1Ф) для обеспечения высокого уровня исходной твердости (не наблюдается разупрочнения в зоне нагрева).
Рис. 6. Виды термической обработки сварных соединений теплоустойчивых сталей:
1 – термический отдых сварной конструкции, 2 – высокий отпуск, 3 – нормализация.