Термическая обработка сварных конструкций

Термическая обработка сварных конструкций

В настоящее время в машиностроении значительно более вы­сокими темпами, чем ранее, осуществляется переход на стали с низким, средним и высоким содержанием легирующих добавок. Легированные стали обеспечивают дальнейший рост допускаемых напряжений, а также возможность работы конструкций при дина­мических и при резко выраженных ударных нагрузках. Вместе с тем теперь предъявляются очень высокие требования к металло­обработке и, в частности, к сварке.

Сварка вообще, и в особенности сварка легированных сталей, в большинстве случаев производится в строго ограниченных тер­мических режимах. Термическое воздействие на сварные конструк­ции имеет место на следующих этапах их изготовления: до произ­водства сварочных работ, в процессе их производства и после завершения сварки.

До производства сварочных работ термическое воздействие па основной материал производится:

  •   отжигом или отпуском для приведения металла в состояние, обеспечивающее сваривае­мость в соответствии с требованиями технических условий;
  • предварительным подогревом с целью уменьшения перепада температур между источником тепла и основным металлом.

В машиностроении при сварке литья и штампованных частей с прокатом, при сварке предварительно гнутых в холодном состоя­нии деталей, в особенности из легированной стали, для измельче­ния зерна, устранения наклепа и внутренних напряжений приме­няются отжиг или отпуск.

Предварительная термическая обработка проводится на боль­шинстве машиностроительных заводов не в сварочных цехах, а в термических отделениях литейных и кузнечных цехов или в термическом цехе. Предварительный же нагрев деталей с целью уменьшения перепада температур между источником тепла и ос­новным металлом производится в сварочных цехах. Этот нагрев может быть общим для всей детали или только местным.

Предварительный нагрев воздействует на процесс нагрева при сварке и на охлаждений после сварки металла шва и зоны терми­ческого влияния основного металла, а также и всей детали. В ре­зультате такого воздействия устраняются местное появление структур в металле, приводящих к снижению его механических свойств и возникновение пик резко выраженных внутренних напря­жений. Зона термического влияния становится выраженной не резко, она как бы делается размытой, пики внутренних напряже­ний сглаживаются.

В тяжелом машиностроении многолетним опытом установлена необходимость термической обработки для снятия напряжений у ряда конструкций, работающих при динамической нагрузке. К таким конструкциям относятся шаровые мельницы, рамы эк­скаваторов, части дробилок, прессов, молотов и т. д. Сборка не­которых из этих деталей ранее производилась без термической обработки. Однако после эксплуатации их в течение 1—½ г. в основном металле вблизи швов вторично появлялись трещины и разрывы, которые заваривались с соблюдением всех требований для заварки трещин. По истечении некоторого времени, после вторичной эксплуатации деталей снова появлялись трещины в смежных местах, а иногда и в новых. Многие из конструкций после неоднократных исправлений и появления новых трещин были демонтированы и заменены новыми. Изготовление таких деталей с последующей термической обработкой (снятием внутренних напряжений) полностью исключило появление трещин и указало на возможность повышения допускаемых напряжений.

Устранение термической обработкой внутренних напряжений в деталях машин необходимо еще и потому, что деталь, при нали­чии внутренних напряжений, после механической обработки, т. е. после снятия напряженных слоев металла, изменяет форму (ко­робится). Изменение формы бывает иногда настолько велико, что деталь после коробления может оказаться неисправимым браком. В некоторых случаях при малой механической обработке коробле­ние проявляется и с течением времени, уже в эксплуатации, теряет соосность, а это приводит к расстрой­ству машин, например, зубчатых пе­редач.

Экономия на исключении терми­ческой обработки из общего произ­водственного цикла в машинострое­нии не оправдывается последующим многократным перерасходом, связан­ным с браком деталей в производ­стве и расстройством машин, а также убытками от их остановки в процессе эксплуатации. Исключение термиче­ской обработки сварных конструкций не оправдывается и опытом изготов­ления стального литья, которое всег­да проходит эту обработку.

Так называемые структурные на­пряжения, возникающие от измене­ния параметров кристаллической ре­шетки при структурных превращени­ях стали, также могут быть снижены предварительным подогревом, который изменяет скорость охлаж­дения деталей после сварки. У низкоуглеродистой стали при на­греве происходит увеличение длины по кривой а‘а‘‘а‘‘‘ δ‘ (фиг. 139), при этом на участке а‘‘а‘‘‘ объем стали уменьшается в связи с пе­реходом перлита в аустенит, который имеет большую плотность по сравнению с перлитом. При охлаждении низкоуглеродистой стали обратные превращения происходят приблизительно при тех же температурах. При резком охлаждении легированной стали по кривой δ‘δ‘‘δ‘‘‘ превращение происходит при более низких темпера­турах, и аустенит превращается в мартенсит, обладающий по срав­нению с аустенитом и перлитом наименьшей плотностью и наи­большим объемом, в связи с чем в стали часто наблюдаются закалочные трещины. При замедлении охлаждения превращение можно осуществить по кривой δ‘b‘b‘‘b‘‘‘b‘‘‘‘b‘‘‘‘‘. Такой режим охлаж­дения предотвращает образование трещин, так как частичный расход аустенита совершается при более высоких температурах.

Кривые изменения длины при нагреве и охлаждении стали

Кривые изменения длины при нагреве и охлаждении стали

Сварка с предварительным нагревом применяется для массив­ных деталей, когда для нее требуется сравнительно небольшое время, при котором не успевает произойти охлаждение детали. С целью уменьшения скорости охлаждения свариваемую деталь закрывают листами асбеста, иногда засыпают шлаком. Измене­ние термического состояния детали при сварке с предварительным нагревом в зависимости от времени представлено на фиг. 140, а.

Кривые термических режимов при сварке

Кривые термических режимов при сварке

В процессе сварки термическое воздействие на деталь произво­дится или от постороннего источника тепла, или сварщиком, изме­няющим режим сварки: силу тока, напряжение на дуге, скорость перемещения электрической дуги или газовой горелки. Термиче­ское воздействие, производимое самим сварщиком, является наиболее простым технологическим мероприятием, но во многих слу­чаях недостаточным. Метод определения режима, наиболее благо­приятно действующего на структуру металла сварных соединений из низкоуглеродистой и легированной стали, приводится в работах Н. Н. Рыкалина и Л. А. Фридлянда. Сварка с подогревом применяется для деталей сложной формы или тонкостенных, а поэтому быстро охлаждающихся на воздухе при большой про­должительности сварки. Процесс сварки начинается предваритель­ным нагревом, а затем сварка проводится при непрерывном по­догреве. После окончания сварки деталь, чтобы выравнять темпе­ратуру до требуемого уровня, дополнительно подогревается. Затем наступает медленное охлаждение детали, помещаемой в печь или особую камеру с нетеплопроводной поверхностью, обеспечивающей медленное и регулируемое понижение темпера­туры. Изменения температуры детали в зависимости от времени при указанном режиме даны на фиг. 140, б.

В отношении деталей, требующих для сварки непродолжитель­ного времени, в течение которого не успевает произойти охлажде­ние шва, изготовленных из сталей, не имеющих резко выраженной склонности к образованию трещин, применяется режим с вырав­нивающим нагревом (фиг. 140, в).

Детали сложной формы с большим объемом и временем сва­рочных работ значительно охлаждаются в процессе сварки. Для таких деталей в конце сварки необходим выравнивающий подо­грев, а иногда и промежуточные подогревы. Режимы такого рода представлены на фиг. 140, г и д.

Предварительный нагрев производится до температур 120— 220° в зависимости от свойств стали и времени сварки, в тече­ние которого температура не должна быть ниже 120—150°. Для сталей с повышенной склонностью к воздушной закалке в кон­струкциях сложной конфигурации температура предварительного нагрева доводится до 300—350°.

Рекомендуем производить выбор термиче­ского режима сварки в соответствии с данными табл. 50.

Таблица 50

Термические режимы сварки

Термическая обработка сварных конструкций после сварки производится с целью:

  • снятия внутренних напряжений в сварном соединении и всей конструкции;
  • повышения механических свойств металла шва и основного металла в зоне термического влияния;
  • получения структур, обеспечивающих требующуюся твер­дость.

Снижение внутренних напряжений достигается высоким от­пуском, т. е. нагревом всей детали до температуры в 600—650°. Снижение внутренних напряжений обусловлено тем, что при тем­пературе 600—700° происходит уменьшение значения предела те­кучести для низкоуглеродистой стали до 3,5—5 кг)мм2 и для легированной стали различных марок до 8—10 кг/мм2 (фиг. 141).

Зависимость предела прочности и предела текучести

Зависимость предела прочности и предела текучести

Механические свойства металла шва и основного металла повышаются отпуском при низких, средних и высоких температу­рах. В машиностроении ряд конструкций изготовляется при по­мощи сварки из деталей, во многих случаях предварительно обра­ботанных на высокую твердость, потому что после сварки кон­струкции не могут быть подвергнуты такой обработке (закалке). Так как в таких конструкциях в результате сварки получаются внутренние напряжения, то чтобы их устранять, применяют от­пуск.

Но сталь, обработанная предварительно по условиям экс­плуатации машин на высокую твердость, должна ее сохранить и после отпуска. В этом случае может быть проведен только отпуск с нагревом в пределах от 180 до 280°. При отпуске до 400° углеродистая сталь с 1,02% С приобретает структуру троостита; при отпуске до 400—550° структура стали состоит из троостита и сорбита; выше 550° структура переходит в зернистый перлит.

Естественно, что у легированных сталей при различных температурах отпуска получается другое распределение структур. В соответ­ствии с изменением структуры изменяются и механические свой­ства стали.

На фиг. 142 представлены кривые, показывающие из­менения механических свойств закаленной стали в зависимости от температуры отпуска. По этим кривым можно заключить, что только отпуск при температурах 500—550° обеспечивает высокие значения ударной вязкости, а снижение твердости создает некото­рую возможность механической обработки.

Кривые изменения механических свойств закаленной стали в зависимости от температуры отпуска

Кривые изменения механических свойств закаленной стали в зависимости от температуры отпуска

Низкотемпературный отпуск устраняет образование трещин, но не уничтожает хрупкой закаленной зоны. Своеобразная терми­ческая обработка наложением многослойных валиков сваркой рассмотрена в следующем разделе.

Если стали, которые при эксплуатации машин должны иметь высокую твердость, свариваются в отожженном состоянии, то после сварки они подвергаются закалке иногда с последующим отпуском. Высокомарганцевые аустенитные стали (13—18% Mn) свариваются в закаленном состоянии, а после сварки проходят вторичную закалку для получения во всех частях аустенитной структуры.

Таким образом, в машиностроении термическая обработка сварных деталей весьма разнообразна.

Во многих случаях сварка ведется на подогретых деталях, иногда подогрев повторяется в процессе сварки или после нее, поэтому нагревательные средства устанавливаются в потоке про­изводства машиностроительных конструкций.

Для термической обработки сварных конструкций применяется: стационарное оборудование в виде печей или горновых устройств с нагревом их твердым, жидким, газообразным топливом и элек­тронагревом. Применяется также и переносное оборудование в виде печей и аппаратуры как для общего, так и для местного нагрева жидким и газообразным топливом, либо способом электронагрева сопротивлением или индукционным электрона­гревом.

Печи с выдвижным подом (фиг. 143) применяются для пред­варительной и последующей (после сварки) термической обработ­ки. Предварительный подогрев вести в таких печах нецелесообраз­но, так как передача нагретой детали с платформы на рабочее место отнимает много времени. В особенности она бывает затруднитель­ной, когда необходим для детали промежуточный подогрев. Про­ведение сварочных работ на самой тележке приводит к простоям печи.

Печь с выдвижным подом

Печь с выдвижным подом

Кроме того, в этом случае требуется отодвигать тележку на значительное расстояние, чтобы тепло, излучаемое печью, не осложняло работу сварщика, работающего и так в крайне труд­ных температурных условиях от тепла, излучаемого деталью. Такие печи можно применять только при условии, если тележки могут отводиться на значитель­ное расстояние по обе стороны печи. Длина печей с выдвиж­ным подом колеблется в преде­лах от 5 до 30 м.

Печи со съемными сводами (фиг. 144) при длине камеры в 15—40 м применяются для предварительной и последую­щей термической обработки. Подогрев в них еще более не­удобен, так как операции по­грузки и выгрузки очень затруд­нены. Эти печи могут приме­няться для компактных массив­ных деталей, не деформирую­щихся при нагреве до темпера­тур термической обработки и не требующих особо тщательной укладки.

Печь со съемным сводом

Печь со съемным сводом

На некоторых заводах термическую обработку сварных изде­лий производят в вертикальных шахтных печах (фиг. 145). Подача детали в печь вместе с подвеской производится краном, после чего подвеска крепится на специальной балке, опирающейся на колонны, а кран освобождается для дальнейших операций. Эти печи не дают возможности рационально использовать объем при коротких, компактных сварных деталях. Они предназначены для однотипных длинных изделий (трубы, барабаны) и имеют то преимущество, что в этом случае устраняется влияние собствен­ного веса на изменение формы изделия, которое для подобных изделий усложняет технологию их термической обработки в гори­зонтальных печах.

Вертикальная печь

Вертикальная печь

Предварительный и последующий промежуточный подогревы следует проводить подогревающими устройствами, которые включаются в работу на рабочем месте сварки, открывая свободный доступ к месту сварки. К таким подогревающим устройствам относятся колпаковые печи (фиг. 146) с газовым или электрическим нагревом. Съемный колпак, который несет на се­бе нагревающее устройство, может пол­ностью или частично (не на всю высо­ту) открывать нагреваемую деталь.

Колпаковая печь

Колпаковая печь

К устройствам такого же типа отно­сятся горны с колпаком, изолирующим деталь от охлаждения (фиг. 147). Де­тали в горне нагреваются снизу элек­трическим током, газом, жидкими горю­чими или углем. Подогрев углем созда­ет большой запас тепла и способствует медленному охлаждению при отсутст­вии дутья, которое может быть включе­но только на время, необходимое для повышения температуры. В это время деталь необходимо закрыть колпаком и на время подогрева сделать перерыв в сварке. При электрическом подогреве благодаря отсутствию продуктов горе­ния работу по сварке можно вести и во время подогрева. При сварке изделий, требующих сравнительно невысокого подогрева (100—200°), подо­гревающие горны следует делать со съемным сводом из несколь- ном топливе. Применяется также индукционный нагрев или электронагрев элементами сопротивления. Подогрев такими устройствами производится с набором их из нескольких секций по форме изделия.

Горно с изолирующим колпаком

Горно с изолирующим колпаком

Термическая обработка для снятия напряжений и изменения структуры зоны термического влияния производится при местном нагреве детали, для которого используются переносные устройства в виде секционных газовых печей, а также печей с электрическим нагревом сопротивлением или индукционным. Например, цилин­дрические изделия значительной длины подаются в печи частями, а стыковые швы проходят последующую термическую обработку с местным нагревом.

В тяжелом машиностроении изготовляется большое количество всевозможных сварных барабанов для прессовой и химической аппаратуры, которая находится под контролем Государственной инспекции Котлонадзора.

Термическая обработка таких сосудов и трубопроводов к ним проводится при следующих режимах.

Обязательной термической обработке подвергаются:

  1. Корпуса сосудов, изготовленные из углеродистых сталей, при толщине стенки свыше 25 мм или если толщина стенки более вычисленной по формуле: (Dвн+127)/120 см
  1. Корпуса сосудов, изготовленные из легированных сталей, при толщине стенки свыше 12 мм или при наличии большого ко­личества приваренных деталей (штуцеры, фасонные части и т. п.).
  2. Штампованные днища из целого листа или сварные (из лепестков) независимо от марки стали при толщине листа свыше 16 мм.

Днища, полученные холодной штамповкой, подвергаются тер­мической обработке при любой толщине стенки.

Режимы термической обработки для изделий из углеродистой стали: отжиг при 600—650° с выдержкой 2,5 мин. на каждый миллиметр толщины стенки, но не менее 30 мин. с последующим медленным охлаждением на воздухе.

Режимы термической обработки для изделий из молибденовой стали: отжиг при 680—700°, выдержка 5 мин. на каждый милли­метр толщины стенки, но не менее 60 мин.; последующее охлаж­дение со скоростью 50—75° в час до 300° и полное охлаждение на спокойном воздухе.

Изделия из хромомолибденовой стали подвергаются:

  1. двойной термической обработке: нормализация при 900— 930° с выдержкой 1 мин. на 1 мм толщины стенки, с последую­щим замедленным охлаждением до 500° на спокойном воздухе (скорость 40—50° в мин.) и отпуск при 650—680° с выдержкой 3 мин. на 1 мм толщины стенки, с медленным охлаждением (50—75° в мин.) до 300° и с окончательным охлаждением на спо­койном воздухе;
  2. полному отжигу с нагревом выше верхней критической точки и медленным охлаждением с печью.

Сварные аппараты и днища из стали марки Ст. 3 подвергаются высокому отпуску при 650—670° (скорость нагрева 100—120° в час) с выдержкой 4 мин. на 1 мм толщины стенки и охлаждением до 300° с печью, затем на воздухе.

По правилам на трубопроводы от 3 октября 1949 г. термиче­ская обработка сварных соединений трубопроводов обязательна при применении легированных сталей (15М, 20М, 15ХМ). Для трубопроводов из углеродистой стали термическая обработка обязательна в тех случаях, где это требуется проектом.

Трубы из стали марок 20, 15М и 15ХМ диаметром 273 мм и более с толщиной стенки более 10 мм после горячей гибки подвер­гаются термической обработке.

После горячей гибки труб диаметром 213 мм и более из ста­ли марок 15М и 15ХМ производится отжиг по режиму: нагрев до 890—910° (со скоростью нагрева 100—150° в час), выдержка 3—4 мин. на 1 мм толщины; охлаждение до 300° с печью, а за­тем на воздухе.

Трубы тех же размеров из стали марки 20 подвергаются от­жигу при 870—880° (скорость нагрева 100—150° в час) с вы­держкой 3—4 мин. на 1 мм толщины и охлаждением до 300° с печью, затем на воздухе.

В тяжелом машиностроении термическую обработку для сня­тия напряжений в сварных конструкциях из углеродистых ста­лей проводят по следующему режиму:

  • посадка в печь при температуре печи в зависимости от конфигурации деталей не выше 250—350°;
  • нагрев до температуры 450—570° со скоростью не более 60°/час;
  • выдержка при температуре 450—600° в течение 6—12 час.;
  • охлаждение в печи с выключенными горелками и закры­тыми шиберами до температуры не выше 350°;
  • дальнейшее охлаждение на спокойном воздухе.

Существенным технологическим вопросом при термической обработке сварных конструкций машин и сооружений является закрепление детали, чтобы предотвратить ее чрезмерное короб­ление. При температурах 600—750°, в результате значительного снижения предела текучести стали, изделие, находясь под дей­ствием собственного веса, может получить полное, неустранимое в дальнейшем никакими мероприятиями изменение формы. Наи­более сильно это проявляется при термической обработке цилин­дрических изделий большого диаметра, когда сосуд теряет фор­му и принимает эллиптическое сечение. Для предотвращения этого внутрь сосуда устанавливают временные металлические распорки.

При укладке изделия на под печи оно должно иметь опоры во многих точках, причем для опор нужна значительная площадь, устраняющая возможность прогиба, а также и местные деформации на опорах. Все опоры должны быть плотно подбиты и, кроме того, установлены так, что­бы их положение при по­вышении температуры не изменялось.

При термической обра­ботке изделия балочной формы двутаврового, швеллерного или двустенчатого сечения могут потерять форму под действием собственного- веса и получить коробление, если сварные швы будут наложены несимметрично по отноше­нию к центру тяжести сечения. Чтобы это устранить, детали кре­пят к плотовине (фиг. 148) пода или к тележке, или же конструк­ции скрепляют друг с другом таким образом, чтобы коробление устранялось их взаимным действием (фиг. 149). Это наиболее, эффективно тогда, когда длинные детали проходят термическую обработку в вертикальных печах (фиг. 150).

Крепление деталей при термообработке

Крепление деталей при термообработке