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.

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.