Рис. 231. Призначення і області застосування повної термічної обробки зварних

Конструкцій.

Через труднощі проведення повної термообробки ДОЦІЛЬНО при певних обставинах відмовлятися від електрошлакового зварювання і заміняти цей вид зварювання більш трудомістким, після якого можливо обійтись відпусканням. Але після зварювання вузлів із середньолегованих сталей необхідно застосовувати повну термообробку як при електрошлаковому зварюванні, так і при інших видах дугового зварювання. Схеми режимів повної термічної обробки показані на рис. 232.

Основним видом термічної обробки після зварювання вузлів із нержавіючих і кислотостійких сталей аустенітного і феритного класів є стабілізуючий відпал, який проводиться для аустенітних сталей при температурах 850-950°С, а для феритних його температура знижується до 700-750°С.

Стабілізуючий відпал при 850-950°С відновлює стійкість різних ділянок ЗТВ проти міжкристалітної корозії, в тому числі й ножової (див. главу 4 частини IV). Стабілізуючий відпал при 700- 750°С відновлює до певного рівня ударну в'язкість ЗТВ і шва зварних з'єднань феритних і феритно-мартенситних сталей, викликаючи розпад мартенситної складової і коагуляцію включень вторинних

Рис. 232. Схеми режимів повної термічної обробки зварних конструкцій: а) нормалізація після ЕШЗ вузлів із вуглецевої і низьколегованої сталі; б) нормалізація із міжкритичного інтервалу температур; в) гартування з відпуском вузлів із середньолегованих сталей підвищеної міцності; г) складний режим для особливо крупних вузлів, виповнених ЕШЗ при неможливості ковки після зварювання.

фаз. Всі види стабілізуючого відпалу можна віднести (за класифікацією А. А. Бочвара) до відпалу І роду.

Однак стабілізуючий відпал не підвищує, а знижує стійкість зварних з'єднань проти локальних руйнувань в пришовній зоні тоді, коли вони працюють в агресивних середовищах або при температурі вище 500°С в умовах повзучості. Тому для сталей кислототривких і жароміцних аустенітного і аустенітно-феритного класів основною термообробкою є так звана аустенізація. Вона пов'язана з високотемпературним нагрівом зварного з'єднання (до 1050-1150°С) і швидким охолодженням (у воді або на повітрі в залежності від товщини виробу). За класифікацією А.А.Бочвара (див. частину II) аустенізація є загартуванням без поліморфних перетворень або "істинне загартування". Його проведення сприяє гомогенізації структури і розчиненню надлишкових фаз в матриці. Після аустенізації зварних з'єднань кислототривких сталей в них знижується схильність до міжкристалітної корозії і відновлюється пластичність до рівня, близького до основного металу. Зварні з'єднання, виготовлені з жароміцних аустенітних сталей, після аустенізації підлягають нагріву до температур 650-850°С, при яких відбуваються процеси старіння, що підвищує їх тривалу міцність при експлуатації.

З економічних міркувань, слід знати, що термічна обробка є трудомісткою операцією і значно підвищує вартість конструкції. Для крупних вузлів ціна термічної обробки складає 25-28% від загальної вартості зварювальних робіт. Тому термічна обробка повинна призначатись лише тоді, коли встановлено, що працездатність і надійність конструкції, яка не проходить термічну обробку після зварювання, не забезпечується іншими засобами, і що застосування термічної обробки дає позитивний результат. Однак, в разі призначення термообробки необхідно враховувати і можливість її негативного впливу. Зокрема, термообробка може призводити до значного жолоблення зварних конструкцій, а у випадку зварювання різних сталей до утворення крихких дифузійних прошарків. Крім того, термічна обробка зварних конструкцій часто супроводжується великими технологічними труднощами: В зв'язку з цим в кожному конкретному випадку розглядається питання про можливість відмовлення від термообробки з обов'язковим урахуванням всіх факторів, що визначають зварюваність сталей і працездатність конкретних деталей або конструкцій.

Не зважаючи на те, що існують різні погляди відносно призначення чи відказу від термічної обробки, зварні машинобудівні конструкції з литого або деформованого металу, а також комбіновані (з виливків, прокату, поковок) обов'язково підлягають термічній обробці. Обов'язковій термічній обробці підлягають судини і трубопроводи, працюючі під тиском при різних температурах і в умовах агресивного середовища, деталі й конструкції турбінних установок (ротори, корпуси, циліндри), які виготовляються із задовільно або обмежено зварюємих сталей.

Правильний вибір режимів термічної обробки і чітке, пильне їх дотримування забезпечує експлуатаційну надійність зварних з'єднань.

Важливими параметрами термічної обробки зварних з 'єднань являються: швидкість нагріву; температура нагріву; час витримки; швидкість охолодження; вчасність проведення термічної обробки.

Важливе значення при термічній обробці зварних конструкцій має швидкість нагріву. Оскільки в зварних конструкціях безпосередньо після зварювання існує певний рівень залишкових напружень, рекомендується, як правило, повільне нагрівання.

Необхідно окремо розглядати два температурних інтервали нагріву: 1) 20-550°С; 2) 550- 750°С.

При нагріві виробу на початковій стадії термічної обробки (20- 300°С), коли пластичність металу в стані після зварювання ще недостатньо велика, високі розтягуючі напруження, що виникають через нерівномірний розподіл температур, можуть сприяти утворенню тріщин від концентраторів напружень. Розрахункові дані показують, що величина тимчасових термічних напружень в процесі нагріву труб із хромомолібденових сталей при перепаді температур по товщині стінки труби до 100°С може бути приблизно 220 МПа.

Виникнення додаткових термічних напружень може підвищити загальний рівень напруженого стану зварного з'єднання і спричинити появу пластичної деформації окремих ділянок металу. Якщо деформаційна здатність ділянок буде недостатньою, може статися їх місцеве руйнування - розтріскування. Поява тріщин на початковій стадії нагріву вірогідніша в жорстких зварних конструкціях, виготовлених із низьколегованих сталей підвищеної міцності, а також сталей феритного, феритно-аустенітного і феритно-мартенситного класів.

Для запобігання тріщиноутворенню на початкових стадіях нагріву треба по можливості обмежувати швидкість нагріву. За даними Ф. А. Хромченка стосовно труб величина допустимого перепаду температур вибирається тим менша, чим більша товщина стінки нагріваємих труб і нижча пластичність сталі. При відпусканні крупногабаритних зварних конструкцій з різною товщиною стінок окрім дуже повільної швидкості нагріву рекомендується виконувати ступінчастий нагрів.

Дуже важливим параметром термічної обробки зварних з'єднань являється температура нагріву, яка визначається видом термічної обробки, легованістю сталі, типом зварюваємих конструкцій, методом зварювання і рядом інших факторів. Якщо метою термообробки‘є усунення зварювальних напружень і одночасно одержання більш рівноважної і однорідної структури в зоні зварювання, то достатньо провести високе відпускання. Термообробка, пов'язана з фазовою перекристалізацією (нормалізація, загартування), проводиться при високих температурах нагріву і забезпечує при нагріві повне зникнення зварювальних напружень. Однак, високі швидкості охолодження, притаманні цим видам термообробки, можуть призвести до появи нового типу залишкових напружень, що потребує проведення додаткових операцій відпускання.

Час витримки також являється важливим параметром термічної обробки зварних з'єднань. Його призначення переслідує дві мети: 1) повне зникнення залишкових напружень; 2) забезпечення протікання необхідних дифузійних процесів, в результаті яких поліпшуються властивості зварного з'єднання. Час витримки для будь- якого перерізу визначається (після повного прогрівання) часом , необхідним для зняття внутрішніх напружень і проходження структурних перетворені,.

Характер зниження залишкових напружень в часі залежить від релаксаційних властивостей сталі, а рівень їх після відпускання - від схеми напруженого стану. Відомо, що до кінця першої години витримки при температурі відпускання загальна величина релаксації напружень досягає 80-85%. Час витримки може змінюватись в залежності від марки сталі і попередньої термообробки, котра також впливає на релаксаційну стійкість сталі. Для більш повного протікання структурних перетворень час витримки при відпусканні після зварювання призначається, виходячи із розрахунку 3-4 хвилини на 1 мм максимального перерізу конструкції.

При відпусканні зварних конструкцій неоднакової товщини важливим параметром є й швидкість охолодження, тому рекомендується охолодження проводити по можливості так, щоб забезпечувався найменший перепад температур по товщині виробу. Для пер- літних сталей пропонується проводити повільне охолодження зварного з'єднання до 300°С або ступінчасте охолодження, що значно зменшує перепад температур по перерізу.

Дуже важливим етапом термічної обробки зварних з'єднань, виготовлених з термічне зміцнюємих сталей, являється час проведення термообробки. Це, наприклад, стосується масивних зварних конструкцій підвищеної жорсткості, які зварюються з підігрівом. Інколи необхідно проводити операції термообробки безпосередньо після зварювання, без охолодження виробу перед термообробкою. Це визначається небезпекою появи тріщин внаслідок утворення мар- тенситної структури в загартованих зонах зварного з'єднання під час охолодження до температур 50-20СГС. Проведення негайної термообробки, без охолодження виробу після зварювання, не допускає утворення загартованих зон і тим самим зменшує небезпеку утворення тріщин.

Рівень об'ємних залишкових напружень в масивних виробах більш високий, ніж в тонкостінних. Отже, не тільки режим, але й вчасне проведення термообробки може вплинути на експлуатаційні властивості товстостінних зварних конструкцій.

Термічна обробка являється відповідальним завершуючим етапом складного технологічного циклу виготовлення зварних конструкцій. При встановленні оптимальних режимів термічної обробки повинні бути враховані як можливості зварюваємої сталі, так і особливості фазових перетворень в різних ділянках зварного з'єднання. Наприклад, високотемпературна область зони термічного впливу багатьох сталей після неблагоприємних умов термічної обробки може мати малий запас пластичності і являється місцем виникнення і розповсюдження крихких тріщин. Це ще раз підкреслює, яке велике значення має правильний вибір і ретельне дотримування всіх параметрів термічної обробки зварних з'єднань.

Запитання для самоперевірки

1. Як змінюються параметри термічних циклів в пришовній зоні під час зварювання порівняно з термічними циклами при звичайній пічній обробці?

2. Як впливають особливості нагрівання і охолодження зони термічного впливу на процеси структурні перетворення під час зварювання сталей?

3. Які основні ділянки зони термічного впливу утворюються при однопрохідному зварюванні маловуглецевої сталі?

4. На прикладі діаграми неізотермічного розпаду аустеніту вуглецевої сталі, побудованої для умов зварювання, вкажіть, які не- рівноважні структури можуть утворюватись в пришовній зоні?

5. Що називається квазіевтектоїдною структурою?

6. Опишіть будову і умови утворення Відманштедтової структури в зварних швах. Як вона впливає на властивості зварних з'єднань?

7. Як впливає збільшення вмісту вуглецю на твердість сталей в зоні термічного впливу?

8. Як впливає швидкість наплавки і товщина зварюваємого виробу на твердість і структуру в зоні термічного впливу?

9. Які структурні зміни в ЗТВ обумовлюють появу холодних тріщин?

10. Які найбільш поширені види термічної обробки проводяться після зварювання і з якою метою?

11. Як впливають попередній і супутній підігріви на структуру і властивості зварних з'єднань?

12. Що таке аустенізація і для яких сталей вона призначається після зварювання?