Термическая обработка при сварке: Основные моменты до и после сварки

Сварка является одним из методов термической обработки металлов. Особенно при сварке обычных низколегированных конструкционных сталей и толстых листов с высоким содержанием углерода, на местный металл воздействует сварочный термический цикл высокотемпературного нагрева и охлаждения, вызывая различные изменения во внутренней структуре металла, что непосредственно влияет на механические свойства сварного соединения.

Кроме того, из-за металлургических условий сварки и влияния различных скоростей нагрева и охлаждения структура сварного шва и зоны термического влияния неоднородна, что также косвенно и непосредственно влияет на механические свойства сварного соединения. Поэтому очень важно изменить или улучшить механические свойства сварного соединения путем нагрева, сохранения тепла и управления скоростью охлаждения локально или полностью до, во время и после сварки.

 I. Предварительный подогрев перед сваркой

 1. Роль предварительного нагрева

1) Предварительный подогрев является эффективной мерой для предотвращения холодных трещин, горячих трещин и образования закаленных структур в зоне термического влияния. При сварке деталей из высокоуглеродистой стали, низколегированной стали, жаропрочной стали и обычной низкоуглеродистой стали с высокой жесткостью быстрая скорость охлаждения сварного шва может легко привести к образованию закаленных структур в сварном шве и зоне термического влияния, что приведет к появлению трещин. Поэтому необходим предварительный подогрев сварного шва. Предварительный подогрев позволяет замедлить скорость охлаждения, что может предотвратить образование трещин в сварном шве.

2) Когда сварные швы при высокой жесткости, быстрое охлаждение и нагрев могут вызвать усадочное напряжение в зоне соединения, что приведет к образованию трещин. Предварительный нагрев зоны соединения перед сваркой может уменьшить усадочное напряжение и предотвратить образование трещин.

3) При сварке в более холодных регионах, чтобы предотвратить образование трещин, даже низкоуглеродистая сталь толщиной более 20 м должна быть предварительно нагрета.

4) Предварительный нагрев может также удалить масло, влагу и другие факторы, влияющие на качество сварки, и способствовать выделению водорода в сварном шве, что играет соответствующую роль в предотвращении таких дефектов, как пористость, а также предотвращает образование трещин.

 Температура предварительного нагрева

Для правильного предварительного нагрева заготовки в основном необходимо определять различные температуры предварительного нагрева в зависимости от материала металла. Например, для углеродистой стали температура предварительного нагрева обычно определяется в зависимости от содержания углерода. Если массовая доля углерода превышает 0,2%, температура предварительного нагрева составляет 100~200°C; по мере увеличения содержания углерода температура предварительного нагрева также должна пропорционально увеличиваться. Другие материалы также имеют различные температуры предварительного нагрева в зависимости от материала.

 Температуры предварительного подогрева при сварке для широко используемых марок стали приведены в таблице 2-30.

 Таблица 2-30 Температура предварительного нагрева при сварке для некоторых марок стали

Методы предварительного нагрева

Существует множество методов предварительного нагрева: например, нагрев пламенем, индукционный нагрев, инфракрасный нагрев, нагрев в печи и т.д. Метод предварительного нагрева следует выбирать в зависимости от диапазона нагрева. В настоящее время широко используются инфракрасные нагреватели, обеспечивающие хороший эффект нагрева и большой диапазон нагрева.

Как правило, ширина предварительного нагрева с каждой стороны сварного соединения должна быть не менее чем в 5 раз больше толщины листа, а равномерная зона нагрева должна поддерживаться на расстоянии 75~100 мм с обеих сторон от скоса. Окончательная температура предварительного нагрева должна быть определена путем тестирования процесса.

Межслойная изоляция

В сварочных конструкциях, особенно при многослойной сварке, некоторые стали требуют поддержания определенной температуры во время сварки каждого слоя, известной как температура межслойного шва. Роль межслойной температуры аналогична предварительному подогреву, способствуя диффузии и выделению водорода в сварном шве и зоне термического влияния, и она играет роль в предотвращении холодного растрескивания.

Для углеродистой стали, низколегированной стали и жаропрочной стали нижний предел температуры прослойки обычно соответствует температуре предварительного нагрева сварного шва, а верхний предел обычно составляет 350~400°C; для аустенитной нержавеющей стали температура прослойки обычно контролируется ниже, обычно менее 250°C.

Следует отметить, что температура предварительного подогрева и прослойки не должна быть слишком высокой, иначе это приведет к изменению микроструктуры и свойств некоторых стальных сварных соединений.

Послесварочная термическая обработка

Немедленное помещение только что сваренного сварного соединения в асбестовую золу, горячий песок (известь) или охлаждение в печи для медленного охлаждения сварного соединения направлено на снижение внутренних напряжений, минимизацию деформаций и предотвращение образования трещин. Для сварных соединений с высокой склонностью к закалке и высокой жесткостью послесварочное охлаждение является важной технологической мерой, обеспечивающей качество сварки.

Обработка после нагрева, выделение водорода

"Постнагрев" - это поддержание температуры сварного соединения равной или более высокой, чем температура прослойки, в течение определенного времени после завершения всех сварочных операций. Температура нагрева и продолжительность "постобработки" зависят от толщины сварного соединения, типа шва, начального содержания водорода в шве и чувствительности стали к водородному растрескиванию.

Как правило, температура для последующего нагрева составляет 250~350°C, а время выдержки зависит от толщины сварного шва и обычно составляет 1~3 часа. Для некоторых толстостенных сосудов из низколегированной высокопрочной стали использование последующего нагрева при 300~350°C в течение 1 часа позволяет полностью избежать замедленного растрескивания и снизить температуру предварительного нагрева на 50°C. Последующий нагрев может ускорить диффузию и выход водорода, поэтому его также называют "обработкой с выделением водорода".

Основная цель последующего нагрева - ускорить диффузию и выход водорода, избежав появления замедленного растрескивания. Когда предварительный подогрев, межслойная температура и другие меры не могут окончательно устранить замедленное растрескивание, подогрев после сварки является простым, выполнимым и эффективным методом. Послеподогрев в основном используется для сварки конструкций из высокопрочной низколегированной стали.

Послесварочный подогрев имеет много общего с послесварочной термообработкой, но в целом послесварочный подогрев не может заменить послесварочную термообработку. Для сварных изделий, требующих послесварочной термообработки и способных сразу же пройти послесварочную термообработку после сварки, послесварочный подогрев можно не проводить. Если послесварочная термообработка не может быть выполнена сразу после сварки, а сварное изделие должно быть своевременно дегидрогенизировано, то постнагрев не может быть опущен.

Например, большой сосуд высокого давления прошел послесварочную дефектоскопию, но из-за того, что после сварки он не был своевременно подвергнут термообработке и не была проведена процедура удаления водорода, во время хранения произошло замедленное растрескивание. Когда сосуд был подвергнут термообработке и прошел гидростатическое испытание, испытательное давление не достигло расчетного рабочего давления, и сосуд подвергся серьезной аварии с хрупким разрушением, что привело к утилизации всего сосуда.

Требования к методу нагрева, ширине зоны нагрева и месту измерения температуры при последующем нагреве такие же, как и при предварительном нагреве. Локальный постнагрев также должен поддерживать равномерную зону нагрева 75~100 мм с обеих сторон фаски, как и при предварительном нагреве. Закаленные и отпущенные стали должны предотвращать локальный перегрев выше температуры отпуска.

Послесварочная термическая обработка

Термическая обработка - это процесс, который улучшает внутреннюю структуру твердых металлы путем нагрева, выдержки и охлаждения, что позволяет получить желаемые свойства. Послесварочная термическая обработка сварных соединений проводится для улучшения структуры и свойств сварных соединений или для устранения остаточных напряжений. К распространенным видам послесварочной термообработки относятся отжиг для снятия напряжений, нормализация, нормализация плюс отпуск и закалка плюс отпуск (отпускная обработка).

Основная цель послесварочной термообработки - снижение остаточных напряжений, повышение стабильности конструкции, размягчение закаленной зоны, содействие выходу водорода, повышение устойчивости к коррозии под напряжением, улучшение пластичности, вязкости и высокотемпературных механических свойств соединения. Поскольку снятие напряжений является основной функцией послесварочной термообработки, ее принято называть послесварочной термообработкой.

Послесварочная термообработка обычно требуется только при особых обстоятельствах для важных изделий. Для некоторых сварных изделий, если послесварочное остаточное напряжение незначительно или если необходимо сохранить некоторое остаточное напряжение (например, послесварочное остаточное напряжение многослойных листов с обмоткой для сосудов), послесварочная термообработка не требуется. Если закаленная структура отсутствует или незначительна, но сохраняет определенную пластичность и вязкость, что не вызывает негативных последствий в процессе эксплуатации, послесварочная термообработка также не требуется.

Отжиг для снятия напряжения

Диапазон температур нагрева при отжиге для снятия напряжения такой же, как и при высокотемпературном отпуске. Обычно весь сварной шов или его часть нагревается до 550~650°C, затем следует достаточная выдержка и медленное охлаждение. Время выдержки для стали общего назначения рассчитывается как 2,5 мин на 1 мм толщины, но не менее 15 мин. При толщине более 50 мм добавьте 15 минут на каждые дополнительные 25 мм.

 Общая термическая обработка

Помещение сварного изделия в нагревательную печь для общей термообработки позволяет достичь удовлетворительных результатов. Температура сварного изделия при входе в печь и выходе из нее должна быть ниже 300°C. Скорость нагрева и охлаждения должна быть связана с толщиной листа и соответствовать следующим требованиям:

В формуле U - скорость охлаждения, °C/ч; δ - толщина листа, мм.

Для толстостенных сосудов скорость нагрева и охлаждения составляет 50~150°C/ч, а максимальный перепад температур внутри печи во время общей термообработки не должен превышать 50°C. Если сварная деталь слишком длинная и требует термообработки в два приема, то перекрытие нагревательной части должно составлять более 1,5 м.

Местная термическая обработка

Для простых контейнеров и труб, которые слишком длинны для общей термообработки, но имеют правильную форму, можно выполнить локальную термообработку. При локальной термообработке необходимо обеспечить достаточную ширину нагрева с обеих сторон сварного шва. Ширина нагрева для цилиндра зависит от радиуса цилиндра и толщины стенки и может быть рассчитана по следующей формуле:

В формуле,

• B - ширина нагрева цилиндра, мм;
• R - радиус цилиндра, мм;
• δ - толщина стенки цилиндра, мм.

Например, для цилиндрического сварного шва диаметром 1200 мм и толщиной стенки 24 мм ширина нагрева по центру шва рассчитывается по приведенной выше формуле. То есть во время локальной термообработки этого цилиндрического сварного шва диапазон 600 м по центру шва должен быть нагрет до заданной температуры термообработки.

К распространенным методам локальной термообработки относятся нагрев пламенем, инфракрасный нагрев и индукционный нагрев промышленной частоты.

В следующих ситуациях следует рассмотреть возможность обработки отжигом для снятия напряжения: основной металл с высокой прочностью, обычная низколегированная сталь с тенденцией к задержке растрескивания; сосуды под давлением и другие сварные конструкции, работающие в условиях низких температур, особенно те, которые используются ниже температуры хрупкого перехода; компоненты, подвергающиеся переменным нагрузкам, требующим усталостной прочности; большие сосуды под давлением; сварные конструкции, требующие коррозионной стойкости под напряжением и стабильности размеров после сварки.

Отжиг для снятия напряжений обычно проводится в печи, которая может устранить более 80% остаточных напряжений. Локальный отжиг для снятия напряжений позволяет достичь того же эффекта, что и общий отжиг для снятия напряжений.

 Такая термообработка не влечет за собой изменения кристаллической структуры.

 2. Нормализация или нормализация плюс отпуск

Такая послесварочная термообработка обычно подходит для конструкций, полученных электрошлаковой сваркой, для улучшения структуры и эксплуатационных характеристик соединений.

Нормализация включает в себя нагрев стали до температуры выше Ac₃ время выдержки 2 мин на 1 мм толщины, но не менее 30 мин, затем охлаждение на воздухе после выхода из печи. Поскольку это процесс рекристаллизации, он позволяет получить более мелкозернистую структуру и улучшить механические свойства.

Нормализация плюс отпуск - это отпуск после нормализации. Цель отпуска - устранить структурные напряжения, возникшие в процессе охлаждения при нормализации, и тем самым улучшить комплексные характеристики стали или сварных соединений.

 3. Закалка и отпуск

Эта послесварочная термообработка подходит для закаленной и отпущенной стали или других сварных конструкций, требующих послесварочной закалки и отпуска. После закалки и отпуска сталь или сварные соединения могут достичь хорошего сочетания прочности и вязкости в комплексных механических свойствах.

Закалка - это нагрев стали до критической точки.₁ или Ac₃ плюс 30~50°C, выдерживают в течение определенного времени, а затем быстро охлаждают в воде или масле для получения структуры высокой твердости.

 Вопросы, на которые следует обратить внимание при послесварочной термообработке

Обработка раствором включает в себя нагрев сварного соединения до 1000~1050°C, позволяя карбидам, осажденным на границах зерен в процессе сварки, переплавиться в аустенит, затем быстрое охлаждение для закрепления аустенитной структуры. Стабилизирующая обработка включает в себя нагрев сварного соединения до 850~900°C, выдержку в течение 2 часов, затем охлаждение на воздухе, позволяя хрому в зернах аустенита постепенно диффундировать к границам зерен, устраняя слой с дефицитом хрома на границах зерен, тем самым повышая устойчивость к межкристаллитной коррозии.

Обработка раствором и стабилизация направлены на повышение стойкости к межкристаллитной коррозии сварных соединений аустенитной нержавеющей стали.

 При послесварочной термообработке следует обратить внимание на следующие проблемы.

• Для низколегированных сталей, содержащих определенное количество V, Ti или Nb, необходимо избегать длительной выдержки при температуре около 600°C, так как это может привести к отпускной хрупкости, при которой прочность материала увеличивается, а пластичность и вязкость значительно снижаются.
• Отжиг для снятия напряжения после сварки обычно должен быть на 30-60°C ниже, чем температура отпуска основного материала.
• Для некоторых сварных конструкций из низколегированных сталей, содержащих такие элементы, как Cr, Mo, V, Ti, Nb, необходимо соблюдать осторожность при отжиге для снятия напряжения, чтобы предотвратить повторное растрескивание при нагреве.
•  Во время термообработки необходимо следить за тем, чтобы не допустить деформации конструкции.

В таблицах 2-31 - 2-34 приведены основные параметры некоторых часто используемых спецификаций послесварочной термической обработки.

Таблица 2-31 Скорость нагрева и охлаждения после сварочной термической обработки (выше 400°C)

Таблица 2-32 Диапазон толщины, требующий отжига для снятия напряжений после сварки для некоторых марок стали

 Таблица 2-33 Температура отжига после снятия напряжений при сварке для отдельных марок стали

 Таблица 2-34 Общие температуры послесварочной термообработки низколегированных сталей

Послесварочная термическая обработка различных сварных конструкций должна проводиться в соответствии с техническими условиями изготовления соответствующего изделия.