Глава 8. Термічна обробка зварних з'єднань

1. Роль термічної обробки в забезпеченні надійності зварних конструкцій

Термічна обробка зварних з'єднань являється однією з найважливіших операцій технологічного циклу виготовлення відповідальних зварних конструкцій. Її роль в забезпеченні надійності зварних конструкцій поступово зростає в зв'язку з впровадженням нових високопродуктивних методів зварювання, застосуванням складно- легованих сталей і сплавів і підвищенням необхідного рівня службових характеристик, які визначаються умовами роботи конструкції.

Слід зауважити, що процеси зварювання пов'язані з безперервними процесами нагріву і охолодження. Це неминуче призводить до неоднорідності структури, хімічного складу і механічних властивостей окремих зон зварного з'єднання, а також до виникнення зварювальних залишкових напружень. Ступінь цієї неоднорідності і рівень напружень залежать від багатьох факторів, в тому числі від зварюваємих сталей, зварювальних матеріалів, способу і технології зварювання, форми і розмірів зварного виробу. Рівень залишкових напружень може бути дуже високим і досягати значень границі текучості металу, а в деяких випадках і перевищувати ці значення. В такому разі в пришовній зоні може відбуватись пластична деформація, що спричиняє місцевий наклеп металу і зниження його пластичності. Залишкові напруження є дуже небезпечними, тому що, сумуючись з робочими напруженнями, вони можуть призводити до руйнування зварних конструкцій, особливо, якщо зварне з'єднання має області з пониженою пластичністю.

Кожний спосіб зварювання має свою специфіку термодефор- маційного впливу на метал, і технологія його проведення розробляється з метою запобігання негативним наслідкам структури, які б знижували експлуатаційну міцність зварних з'єднань. Але правильно призначеного технологічного циклу зварювання недостатньо, тому що локальний характер зварювання не дозволяє повністю усунути недоліки структури виробу і позбавитись залишкових напружень. В зв'язку з цим з метою вирівнювання структури і поліпшення механічних властивостей відповідальним виробам після зварювання

з

Рис. 230. Необхідні напрямки проведення термічної обробки зварних з’єднань.

авжди призначається термічна обробка, (рис 230). Вибір того чи іншого виду термічної обробки залежить від хімічного складу зварюваємої сталі й шва, метода зварювання і габаритів виробу. Фактори, які визначають застосування повної термічної обробки, в загальному вигляді вказані на схемі рис. 231.

2. Основні види термічної обробки зварних з'єднань

Класифікація основних видів термічної обробки приведена на схемі рис. 145. Стосовно до зварних з'єднань один і той же режим може бути віднесений до різних видів за даною класифікацією. Наприклад, режим високого відпускання (нагрів до температури не вище Ас і), найбільш поширений для зварних вузлів із вуглецевих і низьколегованих сталей, може призначатися з метою вирівнювання структури і зниження твердості в ЗТВ або з метою проведення рекристалізаційного відпалу і усунення залишкових напружень. Про конкретне призначення видів термічної обробки зварних з'єднань сталей різних класів йдеться в частині IV. В цьому розділі розглядаються лише основні види термообробки зварних конструкцій і особливості їх проведення в умовах реального виробництва.

Простішим видом термічної обробки можна вважати підігрів, який призначається при зварюванні сталей, схильних до утворення нерівноважних змішаних структур навіть в умовах порівняно невеликих швидкостей охолодження. Це в основному низько- і середньо- леговані сталі. Підігрів призначається попередній, тобто перед по

чатком зварювання, і супутній, який проводиться одночасно з процесом зварювання. Метою підігрівів є зменшення небезпеки утворення холодних тріщин, які можуть виникати на початку термоде- формаційного циклу зварювання, в процесі зварювання і після закінчення зварювання через зниження пластичності металу і виникнення іалишкових напружень в різних ділянках зварного з'єднання. Температури підігріву залежать від хімічного складу сталі, товщини зва- рюваємого виробу, способу зварювання і технології його проведеним. Діапазон температур підігріву знаходиться в інтервалі від 80 до 500°С.

Найбільш поширеним видом термообробки зварних з'єднань є підпускання, яке не потребує дуже високих температур нагріву і складного обладнання. В залежності від марки сталі і цілей можуть призначатись всі види відпускання: високе (500-750°С), середнє (300-450°С) і низьке (80-300°С). Основним з них являється високе підпускання, після якого повністю зникають внутрішні напруження, усуваються явища наклепу, деформаційного старіння, і формується структура сорбітообразного перліту. Низьке і середнє відпускання застосовуються рідко і тільки для зварних вузлів з високоміцних сталей.

Призначення температури відпускання повинне враховувати різні структурні перебудови, які можуть мати протилежні наслідки. 'і одного боку, чим вища температура відпускання, тим швидше йдуть процеси, переводячі метал у рівноважний стан, відбувається релаксація напружень, але постає небезпека розміцнення основного металу, особливо тоді, коли цей метал знаходиться у зміцненому стані. Тому рекомендується, щоб температура відпускання після зііарювання була на 20-30°С нижчою, ніж температура відпускання основного металу/Після цього властивості металу зварного з'єднання відповідають властивостям металу заготівок. Такі умови легко реалізуються для зварних з'єднань вуглецевих і легованих сталей загального призначення, які не мають активних карбідоутворюточих елементів і які не схильні до дисперсійного твердіння (старіння). Для вуглецевих сталей, а також для нйзьколегованих сталей загального призначення, температура відпускання не перевищує 550- 6()0°С. Експериментальні дані показують, що при 600°С у вуглецевих сталях залишкові напруження практично знижуються до мінімуму, а в легованих сталях вони ще зостаються значними. Тому для

легованих спеціальних сталей температура відпускання після зва рювання може підвищуватись до 680-750°С.

При виборі режиму і умов проведення відпускання необхідно враховувати і його можливі негативні наслідки. Під час відпускання слід побоюватись жолоблення вузлів високої точності (наприклад, ротори турбін, генераторів), поводки. В сталях, схильних до відпускної крихкості, можуть виникати процеси незворотної і зворотної крихкості при повіданому охолодженні виробів в інтервалах температур 250-450°С і 450-650°С. В легованих сталях, які містять сильні карбідотвірні елементи (V, Ті, N6, Мо), під час високого відпускання поряд з розпадом нерівноважних структур можуть відбуватися процеси дисперсійного твердіння (старіння), пов'язаного з виділенням карбідів цих легуючих елементів.

Повна термічна обробка зварних з'єднань передбачає нагрів виробу вище верхньої критичної точки Ас₃, витримку при цій температурі й швидке охолодження в спеціальних середовищах (загартування) або на повітрі (нормалізація) з послідуючим відпусканням або без нього.

Повна термічна обробка (рис. 231) призначається, коли проведення одного відпускання не дозволяє довести до необхідного рівня властивості окремих ділянок зварного з'єднання. При нагріванні вище /4сз в зв'язку з поліморфними перетвореннями відбувається подрібнення аустенітного зерна на ділянках перегріву в ЗТВ і в шві, знижується концентрація домішок на межах зерен, і здійснюється гомогенізація аустеніту, що підвищує однорідність кінцевої структури і її дисперсність після відпускання. Це позитивно впливає на механічні властивості зварного з'єднання, які повинні бути однаковими з властивостями основного металу. Звичайно метал шва зварних з'єднань буває близьким до основного металу за вмістом легуючих елементів, але він містить меншу кількість вуглецю з міркувань поліпшення зварюваності. У вихідному або відпущеному стані міцність шва за рахунок високотемпературного наклепу близька (або вища) до міцності основного металу. Якщо проводиться повна термічна обробка, то ефект наклепу знімається, і міцність шва може бути нижчою, ніж основного металу. В зв'язку з цим часто застосовують шви більш високого легування, ніж основний метал, при низькому вмісті в них вуглецю. Для зварних конструкцій з вуглецевих сталей, які підлягають повній термічній обробці, рекомен

дується наплавляти шви з вмістом вуглецю, близьким до основного металу. З підвищенням рівня легування і міцності сталі необхідність проведення повної термічної обробки зростає.

Необхідно знати, що повна термічна обробка рекомендується в обмежених випадках, бо її проведення є набагато складнішим за відпускання, а для крупногабаритних виробів через відсутність обладнання стає зовсім неможливим. Цей вид термообробки призначається після зварювання з великим тепловкладенням, наприклад, після електрошлакового.

Труднощі проведення повної термообробки полягають в слідуючому: 1) треба мати унікальне пічне обладнання з температурою нагріву 1000-1100°С; 2) впровадження місцевої термообробки зварних швів призводить до виникнення в основному металі широких розміцнених ділянок, які нагріваються до 700-800°С; 3) термічна обробка із швидким охолодженням під час загартування або нормалізації може призвести до жолоблення конструкції або деталі.