Obróbka cieplna w spawalnictwie: Podstawy przed i po spawaniu

Spawanie jest jedną z metod obróbki cieplnej metali. Zwłaszcza podczas spawania zwykłych niskostopowych stali konstrukcyjnych i grubych płyt o wysokiej zawartości węgla, na miejscowy metal wpływa cykl termiczny spawania polegający na nagrzewaniu i chłodzeniu w wysokiej temperaturze, powodując różne zmiany w wewnętrznej strukturze metalu, co bezpośrednio wpływa na właściwości mechaniczne złącza spawanego.

Dodatkowo, ze względu na warunki metalurgiczne spawania oraz wpływ różnych szybkości nagrzewania i chłodzenia, struktura spoiny i strefy wpływu ciepła jest nierówna, co również pośrednio i bezpośrednio wpływa na właściwości mechaniczne złącza spawanego. W związku z tym konieczna jest zmiana lub poprawa właściwości mechanicznych złącza spawanego poprzez podgrzewanie, zachowanie ciepła i kontrolowanie szybkości chłodzenia lokalnie lub całkowicie przed, w trakcie i po spawaniu.

 I. Podgrzewanie przed spawaniem

 1. Rola podgrzewania wstępnego

1) Podgrzewanie wstępne jest skutecznym środkiem zapobiegającym pęknięciom zimnym, pęknięciom gorącym i tworzeniu się utwardzonych struktur w strefie wpływu ciepła. Podczas spawania stali wysokowęglowej, stali niskostopowej, stali żaroodpornej i zwykłych elementów ze stali niskowęglowej o wysokiej sztywności, szybkie tempo chłodzenia spoiny może łatwo prowadzić do tworzenia się utwardzonych struktur w spoinie i strefie wpływu ciepła, powodując w ten sposób pęknięcia. Dlatego też konieczne jest wstępne podgrzanie spoiny. Podgrzewanie wstępne może spowolnić szybkość chłodzenia, co może zapobiec powstawaniu pęknięć w spoinie.

2) Kiedy złącza spawalnicze Przy wysokim ograniczeniu, szybkie chłodzenie i ogrzewanie może powodować naprężenia skurczowe w obszarze spoiny, prowadząc do pęknięć. Wstępne podgrzanie obszaru złącza przed spawaniem może zmniejszyć naprężenia skurczowe i zapobiec powstawaniu pęknięć.

3) Podczas spawania w chłodniejszych regionach, aby zapobiec powstawaniu pęknięć, nawet stal niskowęglowa o grubości przekraczającej 20 m musi być wstępnie podgrzana.

4) Wstępne podgrzewanie może również usuwać olej, wilgoć i inne czynniki wpływające na jakość spoiny, a także może promować ucieczkę wodoru w spoinie, odgrywając w ten sposób odpowiednią rolę w zapobieganiu wadom, takim jak porowatość, a także zapobiegając tworzeniu się pęknięć.

 Temperatura podgrzewania

Aby prawidłowo podgrzać obrabiany przedmiot, konieczne jest przede wszystkim określenie różnych temperatur podgrzewania w zależności od różnych materiałów metalowych. Na przykład, w przypadku stali węglowej, temperatura podgrzewania jest zazwyczaj określana na podstawie zawartości węgla. Jeśli ułamek masowy węgla jest większy niż 0,2%, temperatura podgrzewania wstępnego wynosi 100 ~ 200°C; wraz ze wzrostem zawartości węgla temperatura podgrzewania wstępnego powinna również proporcjonalnie wzrosnąć. Inne materiały również mają różne temperatury podgrzewania w zależności od materiału.

 Temperatury podgrzewania przed spawaniem dla powszechnie stosowanych gatunków stali przedstawiono w tabeli 2-30.

 Tabela 2-30 Temperatury podgrzewania do spawania dla niektórych gatunków stali

Metody podgrzewania

Istnieje wiele metod podgrzewania: ogrzewanie płomieniowe, ogrzewanie indukcyjne o częstotliwości sieciowej, ogrzewanie dalekiej podczerwieni, ogrzewanie piecowe itp. Metodę podgrzewania należy wybrać w oparciu o zakres ogrzewania. Obecnie szeroko stosowane są promienniki dalekiej podczerwieni, zapewniające dobre efekty grzewcze i duży zakres ogrzewania.

Ogólnie rzecz biorąc, szerokość podgrzewania wstępnego po każdej stronie złącza spawanego powinna być nie mniejsza niż 5-krotność grubości płyty, a jednolita strefa podgrzewania powinna być utrzymywana 75 ~ 100 mm po obu stronach skosu. Końcowa temperatura podgrzewania musi być określona poprzez testowanie procesu.

Izolacja międzywarstwowa

W konstrukcjach spawanych, zwłaszcza podczas spawania wielowarstwowego, niektóre stale wymagają utrzymywania określonej temperatury podczas każdej warstwy spawania, znanej jako temperatura międzywarstwowa. Rola temperatury międzywarstwowej jest podobna do podgrzewania wstępnego, promując dyfuzję i ucieczkę wodoru w spoinie i strefie wpływu ciepła oraz odgrywa rolę w zapobieganiu pękaniu na zimno.

W przypadku stali węglowej, stali niskostopowej i stali żaroodpornej, dolna granica temperatury międzywarstwy jest generalnie temperaturą podgrzewania wstępnego elementu spawanego, a górna granica wynosi zazwyczaj 350 ~ 400 ° C; w przypadku austenitycznej stali nierdzewnej temperatura międzywarstwy jest generalnie kontrolowana niżej, zwykle poniżej 250 ° C.

Należy zauważyć, że temperatury podgrzewania wstępnego i międzywarstwowego nie powinny być zbyt wysokie, w przeciwnym razie spowoduje to zmiany w mikrostrukturze i właściwościach niektórych stalowych połączeń spawanych.

Obróbka cieplna po spawaniu

Natychmiastowe umieszczenie właśnie spawanego elementu spawanego w popiele azbestowym, gorącym piasku (wapnie) lub chłodzenie za pomocą pieca w celu powolnego chłodzenia złącza spawanego ma na celu zmniejszenie naprężeń wewnętrznych, zminimalizowanie deformacji i zapobieganie pękaniu. W przypadku elementów spawanych o dużej tendencji do hartowania i wysokiej sztywności, chłodzenie po spawaniu jest ważnym środkiem technologicznym zapewniającym jakość spawania.

Obróbka po podgrzaniu, uwalnianie wodoru

"Podgrzewanie końcowe" polega na utrzymywaniu złącza spawanego w temperaturze równej lub wyższej od temperatury międzywarstwy przez pewien czas po zakończeniu wszystkich operacji spawania. Temperatura podgrzewania i czas trwania "wygrzewania końcowego" zależą od grubości elementu spawanego, rodzaju złącza, początkowej zawartości wodoru w spoinie oraz wrażliwości stali na pękanie wodorowe.

Generalnie, temperatura wygrzewania wtórnego wynosi 250~350°C, a czas wygrzewania zależy od grubości elementu spawanego i wynosi zazwyczaj 1~3 godziny. W przypadku niektórych grubościennych zbiorników z niskostopowej stali o wysokiej wytrzymałości, zastosowanie podgrzewania wtórnego w temperaturze 300~350°C przez 1 godzinę może całkowicie zapobiec opóźnionemu pękaniu i obniżyć temperaturę podgrzewania wstępnego o 50°C. Podgrzewanie końcowe może przyspieszyć dyfuzję i ulatnianie się wodoru, dlatego jest również nazywane "obróbką uwalniającą wodór".

Głównym celem wygrzewania wtórnego jest przyspieszenie dyfuzji i ulatniania się wodoru, co pozwala uniknąć opóźnionego pękania. Gdy podgrzewanie wstępne, temperatura międzywarstwowa i inne środki nie mogą ostatecznie wyeliminować opóźnionego pękania, podgrzewanie końcowe jest prostą, wykonalną i skuteczną metodą. Podgrzewanie wtórne jest stosowane głównie do spawania konstrukcji ze stali niskostopowej o wysokiej wytrzymałości.

Podgrzewanie po spawaniu ma wiele podobieństw z obróbką cieplną po spawaniu, ale generalnie podgrzewanie po spawaniu nie może zastąpić obróbki cieplnej po spawaniu. W przypadku elementów spawanych, które wymagają obróbki cieplnej po spawaniu i mogą być natychmiast poddane obróbce cieplnej po spawaniu, podgrzewanie po spawaniu można pominąć. Jeśli obróbka cieplna po spawaniu nie może być wykonana natychmiast po spawaniu, a element spawany musi zostać odwodorniony w odpowiednim czasie, nie można pominąć podgrzewania po spawaniu.

Przykładem może być duży zbiornik wysokociśnieniowy, który przeszedł kontrolę wykrywania wad po spawaniu, ale ponieważ nie został poddany obróbce cieplnej w odpowiednim czasie po spawaniu i nie przeprowadzono eliminacji wodoru, podczas przechowywania doszło do opóźnionego pękania. Kiedy zbiornik został poddany obróbce cieplnej i próbie hydrostatycznej, ciśnienie testowe nie osiągnęło projektowego ciśnienia roboczego, a zbiornik uległ poważnemu wypadkowi kruchego pęknięcia, co doprowadziło do złomowania całego zbiornika.

Metoda nagrzewania, szerokość strefy nagrzewania i wymagania dotyczące lokalizacji pomiaru temperatury dla podgrzewania końcowego są takie same jak dla podgrzewania wstępnego. Lokalne podgrzewanie końcowe powinno również utrzymywać jednolitą strefę grzewczą o szerokości 75 ~ 100 mm po obu stronach skosu, podobnie jak w przypadku podgrzewania wstępnego. Stal hartowana i odpuszczana powinna zapobiegać miejscowemu przegrzaniu powyżej temperatury odpuszczania.

Obróbka cieplna po spawaniu

Obróbka cieplna to proces, który poprawia wewnętrzną strukturę ciała stałego metale poprzez podgrzewanie, przetrzymywanie i chłodzenie, uzyskując w ten sposób pożądane właściwości. Obróbka cieplna połączeń spawanych po spawaniu ma na celu poprawę struktury i właściwości połączeń spawanych lub wyeliminowanie naprężeń szczątkowych. Typowa obróbka cieplna po spawaniu obejmuje wyżarzanie odprężające, normalizację, normalizację i odpuszczanie oraz hartowanie i odpuszczanie (obróbka odpuszczająca).

Głównym celem obróbki cieplnej po spawaniu jest zmniejszenie naprężeń szczątkowych, zwiększenie stabilności strukturalnej, zmiękczenie utwardzonej strefy, promowanie ucieczki wodoru, zwiększenie odporności na korozję naprężeniową oraz poprawa plastyczności, wytrzymałości i właściwości mechanicznych połączenia w wysokiej temperaturze. Ponieważ redukcja naprężeń jest podstawową funkcją obróbki cieplnej po spawaniu, jest ona powszechnie określana jako obróbka cieplna po spawaniu.

Obróbka cieplna po spawaniu jest zazwyczaj wymagana tylko w szczególnych okolicznościach dla ważnych produktów. W przypadku niektórych produktów spawanych, jeśli naprężenie szczątkowe po spawaniu nie jest znaczące lub jeśli konieczne jest zachowanie pewnego naprężenia szczątkowego (takiego jak naprężenie szczątkowe po spawaniu wielowarstwowych płyt owiniętych zbiornikiem), obróbka cieplna po spawaniu nie jest wymagana. Obróbka cieplna po spawaniu nie jest również konieczna w przypadku braku lub niewielkiej ilości utwardzonej struktury, która zachowuje pewną plastyczność i wytrzymałość, co nie powoduje niekorzystnych skutków podczas pracy.

Wyżarzanie odprężające

Zakres temperatur nagrzewania dla wyżarzania odprężającego jest taki sam jak dla odpuszczania wysokotemperaturowego, generalnie nagrzewając całość lub część elementu spawanego do 550~650°C, po czym następuje wystarczające przetrzymanie i powolne chłodzenie. Czas przetrzymywania dla stali ogólnej jest obliczany jako 2,5 minuty na 1 mm grubości, ale nie mniej niż 15 minut. W przypadku grubości powyżej 50 mm należy dodać 15 minut na każde dodatkowe 25 mm.

 Ogólna obróbka cieplna

Umieszczenie elementu spawanego w piecu grzewczym w celu ogólnej obróbki cieplnej może przynieść zadowalające rezultaty. Temperatura elementu spawanego podczas wchodzenia i wychodzenia z pieca powinna wynosić poniżej 300°C. Szybkość nagrzewania i chłodzenia powinna być powiązana z grubością blachy i powinna spełniać następujące wymagania:

We wzorze, U jest szybkością chłodzenia, °C/h; δ jest grubością płyty, mm.

W przypadku grubościennych zbiorników szybkość nagrzewania i chłodzenia wynosi 50 ~ 150°C/h, a maksymalna różnica temperatur wewnątrz pieca podczas ogólnej obróbki cieplnej nie powinna przekraczać 50°C. Jeśli element spawany jest zbyt długi i musi być poddany obróbce cieplnej w dwóch sesjach, nakładająca się część grzewcza powinna być większa niż 1,5 m.

Miejscowa obróbka cieplna

W przypadku prostych zbiorników i rur, które są zbyt długie do ogólnej obróbki cieplnej, ale mają regularny kształt, można przeprowadzić miejscową obróbkę cieplną. Podczas miejscowej obróbki cieplnej należy zapewnić wystarczającą szerokość nagrzewania po obu stronach spoiny. Szerokość nagrzewania dla cylindra jest związana z promieniem cylindra i grubością ścianki i może być obliczona przy użyciu następującego wzoru:

W formule,

• B to szerokość grzewcza cylindra w mm;
• R to promień cylindra w mm;
• δ to grubość ścianki cylindra w mm.

Na przykład, dla spoiny cylindrycznej o średnicy 1200 mm i grubości ścianki 24 mm, szerokość nagrzewania wyśrodkowana na spoinie jest obliczana przy użyciu powyższego wzoru. Oznacza to, że podczas lokalnej obróbki cieplnej tej cylindrycznej spoiny, zakres 600 m wyśrodkowany na spoinie musi zostać podgrzany do określonej temperatury obróbki cieplnej.

Typowe metody miejscowej obróbki cieplnej obejmują ogrzewanie płomieniem, ogrzewanie podczerwienią i ogrzewanie indukcyjne o częstotliwości przemysłowej.

W następujących sytuacjach należy rozważyć wyżarzanie odprężające: metal podstawowy o wysokiej wytrzymałości, zwykła stal niskostopowa z tendencją do opóźniania pękania; zbiorniki ciśnieniowe i inne konstrukcje spawane pracujące w niskich temperaturach, zwłaszcza te stosowane poniżej temperatury przejścia w stan kruchy; elementy poddawane zmiennym obciążeniom wymagającym wytrzymałości zmęczeniowej; duże zbiorniki ciśnieniowe; konstrukcje spawane wymagające odporności na korozję naprężeniową i stabilności wymiarowej po spawaniu.

Wyżarzanie odprężające jest zwykle przeprowadzane w piecu, który może wyeliminować ponad 80% naprężeń szczątkowych. Lokalne wyżarzanie odprężające może zasadniczo osiągnąć ten sam efekt, co ogólne wyżarzanie odprężające.

 Obróbka cieplna nie powoduje zmian w strukturze krystalicznej.

 2. Normalizowanie lub normalizowanie plus odpuszczanie

Ta obróbka cieplna po spawaniu jest ogólnie odpowiednia dla konstrukcji spawanych elektrożużlowo w celu poprawy struktury i wydajności połączeń.

Normalizowanie polega na podgrzaniu stali do temperatury powyżej Ac₃ Z czasem utrzymywania obliczonym na 2 minuty na 1 mm grubości, ale nie mniej niż 30 minut, a następnie chłodzenie w powietrzu po wyjściu z pieca. Ponieważ jest to proces rekrystalizacji, może on uzyskać drobniejszą strukturę ziarna i poprawić właściwości mechaniczne.

Normalizowanie plus odpuszczanie to odpuszczanie po normalizowaniu. Celem odpuszczania jest wyeliminowanie naprężeń strukturalnych powstałych w procesie chłodzenia podczas normalizacji, co dodatkowo poprawia kompleksową wydajność stali lub połączeń spawanych.

 3. Hartowanie i odpuszczanie

Ta obróbka cieplna po spawaniu jest odpowiednia dla hartowanej i odpuszczanej stali lub innych konstrukcji spawanych, które wymagają hartowania i odpuszczania po spawaniu. Po hartowaniu i odpuszczaniu stal lub połączenia spawane mogą osiągnąć dobre połączenie wytrzymałości i ciągliwości w kompleksowych właściwościach mechanicznych.

Hartowanie to podgrzewanie stali do punktu krytycznego Ac₁ lub Ac₃ plus 30 ~ 50 ° C, utrzymując go przez pewien czas, a następnie szybko schładzając w wodzie lub oleju, aby uzyskać strukturę o wysokiej twardości.

 Kwestie, na które należy zwrócić uwagę podczas obróbki cieplnej po spawaniu

Obróbka roztworem polega na podgrzaniu złącza spawanego do temperatury 1000~1050°C, co pozwala na ponowne stopienie węglików wytrąconych na granicach ziaren podczas procesu spawania do austenitu, a następnie szybkie schłodzenie w celu utrwalenia struktury austenitycznej. Obróbka stabilizująca polega na podgrzaniu złącza spawanego do temperatury 850~900°C, utrzymaniu przez 2 godziny, a następnie chłodzeniu powietrzem, co pozwala chromowi w ziarnach austenitu stopniowo dyfundować do granic ziaren, eliminując warstwę zubożoną w chrom na granicach ziaren, poprawiając w ten sposób odporność na korozję międzykrystaliczną.

Zarówno obróbka roztworem, jak i obróbka stabilizująca mają na celu poprawę odporności na korozję międzykrystaliczną połączeń spawanych austenitycznej stali nierdzewnej.

 Kwestie, na które należy zwrócić uwagę podczas obróbki cieplnej po spawaniu, są następujące.

• W przypadku stali niskostopowych zawierających pewną ilość V, Ti lub Nb należy unikać długotrwałego przetrzymywania w temperaturze około 600°C, ponieważ może to prowadzić do kruchości odpuszczania, w której wytrzymałość materiału wzrasta, a plastyczność i udarność znacznie się zmniejszają.
• Wyżarzanie odprężające po spawaniu powinno być generalnie o 30-60°C niższe niż temperatura odpuszczania materiału bazowego.
• W przypadku niektórych konstrukcji spawanych ze stali niskostopowych zawierających pierwiastki takie jak Cr, Mo, V, Ti, Nb, należy zachować ostrożność podczas wyżarzania odprężającego, aby zapobiec pękaniu ponownemu.
•  Podczas obróbki cieplnej należy zachować ostrożność, aby zapobiec deformacji strukturalnej.

Tabele 2-31 do 2-34 przedstawiają główne parametry niektórych powszechnie stosowanych specyfikacji obróbki cieplnej po spawaniu.

Tabela 2-31 Szybkości nagrzewania i chłodzenia po obróbce cieplnej spoiny (powyżej 400°C)

Tabela 2-32 Zakres grubości wymagający wyżarzania odprężającego po spawaniu dla niektórych gatunków stali

 Tabela 2-33 Temperatury wyżarzania odprężającego po spawaniu dla wybranych gatunków stali

 Tabela 2-34 Typowe temperatury obróbki cieplnej stali niskostopowej po spawaniu

Obróbka cieplna po spawaniu różnych konstrukcji spawanych powinna być przeprowadzana zgodnie z odpowiednimi warunkami technicznymi wytwarzania produktu.