Металловедение сварки

Индукционный нагрев наряду с высокой скоростью обеспечивает одно­ временно достаточно равномерный прогрев по толщине стенки, что позволяет свести к минимуму стадию выравнивания температуры по сечению (рис. 6.6).

Стадия II - выравнивание температуры. Вопросы определения про­ должительности стадии выравнивания температуры по сечению при нагреве в печах тел различной формы подробно освещены в специальной литературе.

ческая обработка с индукционным на­

В связи с большим разнообразием конструкций термических печей и ус­ ловий нагрева В.А.Винокуровым предложено при выборе расчетной схемы для определения продолжительности стадии выравнивания при высоком отпуске принимать одну из следующих двух схем в зависимости от сложившихся на

производстве конкретных режимов работы печей:

а) нагрев с линейным изменением температуры поверхности тела; б) нагрев с постоянной температурой печи.

Расчеты, выполненные применительно к высокому отпуску (550-680 °С),

показывают, что после нагрева и выравнивания температуры по поверхности

продолжительность стадии выравнивания температуры по сечению плит (при

допускаемой разности температур АГД0П ~ 10 °С) имеет следующие значения:

Стадия III - выдержка. Продолжительность выдержки после выравнива­

ния температуры определяется скоростью структурных превращений при дос­ тигнутой температуре и полнотой протекания процесса релаксации напряже­ ний.

При заданной температуре выдержки интенсивность протекания струк­ турных изменений в сварных соединениях углеродистых, а также низко- и среднелегированных сталей, которые не содержат элементов, вызывающих

вторичное твердение, наиболее велика в первые несколько часов, а затем быстро затухает с течением времени.

Следует также иметь в виду, что вследствие сравнительно медленной в

отношении структурных превращений скорости нагрева при отпуске опреде­

ленная часть изменений структуры может пройти до наступления стадии вы­

держки. Это относится в большей степени к первому (распад мартенсита) и второму (распад аустенита остаточного) превращениям и в меньшей степени к третьему (рекристаллизационные процессы) и четвертому (коагуляция карби­

дов) превращениям при отпуске закаленной стали (отпуск после сварки свар­ ных соединений сталей мартенситного класса).

Аналогичный вывод может быть сделан и в отношении процесса релак­ сации остаточных напряжений. Как показано В.А.Винокуровым [4], в свар­

ных соединениях углеродистой стали релаксация напряжений в основном за­ вершается на стадии нагрева и в первые 1-2 ч выдержки, дальнейшее сниже­ ние напряжений с увеличением времени выдержки крайне незначительно.

Если требуется получить более низкие остаточные напряжения, то этого можно достичь с меньшими затратами средств путем повышения температуры отпуска. Повышение температуры отпуска на 40-50 °С увеличивает степень снятия напряжений больше, чем увеличение времени выдержки в 10 раз. В табл. 6.1. даны примеры режимов термической обработки крупногабаритных сварных изделий, разработанных с учетом рекомендаций В.А.Винокурова по длительности выравнивания температуры по сечению и ограничения времени выдержки после выравнивания в течение 3 часов.

Длительность выдержки при отпуске сварных соединений стали, которые склонны к вторичному твердению при температуре отпуска, определяется с учетом кинетики твердения при заданной температуре и требуемой степени перестаривания. Например, на рис 6.7 для сварных соединений стали 15Х1М1Ф обобщены в функции температурно-временного параметра результаты испыта­ ний в интервале температур 500-700 °С нескольких серий образцов. На этом же рисунке показаны кривые дисперсионного твердения металла околошовной зо­ ны. Видно, что температурно-временной интервал провала пластичности сов­ падает с температурно-временным интервалом дисперсионного твердения: чем больше степень твердения, тем больше провал пластичности.

талла ОШ З в интервале температур отпуска 500-700 °С в зависимости от температурно­ временного параметра Холомона; температуры отпуска °С: А - 550, □ - 650, 0 - 730 °С, светлые точки - при подогреве 150-200 °С, залитые точки - при подогреве 300-350 °С; сталь 15Х1М 1Ф

Стадия IV - охлаждение. Скорость охлаждения после отпуска должна выбираться с таким расчетом, чтобы исключить образование новых остаточ­ ных напряжений и поводок конструкции из-за разности температур по сечению и длине изделия. Максимальная скорость охлаждения регламентируется в об­ ласти температур выше 300-400 °С для перлитных сталей и выше 600 °С для аустенитных сталей и сплавов, когда материал имеет сравнительно низкий предел текучести.

Высокие термические напряжения при быстром охлаждении способны

вызвать пластические деформации. Соответственно после полного охлаждения в детали возникают дополнительные остаточные напряжения. В области более. низких температур появление пластических деформаций при охлаждении менее вероятно и изделия могут охлаждаться вне печи, на спокойном воздухе.

Для сварных конструкций средней сложности типа сосудов давления и трубопроводов допускаемые значения максимальной скорости охлаждения в большинстве случаев не превышают 250 °С/ч.

Чрезмерно быстрое охлаждение нежелательно не только из-за возник­ новения остаточных напряжений. При быстром охлаждении с температур, при которых происходит растворение избыточных фаз, может быть зафикси­

рован пересыщенный твердый раствор. Это создает предпосылки для после­

дующего старения и охрупчивания в процессе эксплуатации, особенно при по­ вышенных температурах.

При термической обработке изделий из низколегированных хромистых, хромоникелевых, хромомолибденовых, хромоникельмолибденованадиевых

сталей, подверженных обратимой отпускной хрупкости (например, 30ХНМ,

40Х и др.), а также высокохромистых и аустенитных сталей, склонных к сиг-

матизации или охрупчиванию при 475 °С, должны ограничиваться и мини­ мальные скорости охлаждения в опасном интервале температур.

На рис. 6.8 показано влияние Уохп после отпуска на Гхр металла электро-

гревом до 600-650 °С с последующим быстрым охлаждением.

Параметры отпуска. Выбор оптимального режима отпуска с учетом по­ лучения необходимых изменений структуры и механических свойств свар­ ных соединений, полноты релаксации остаточных напряжений, предупрежде­ ния трещин термической обработки и ограничения степени разупрочнения ос­

новного металла целесообразно производить на основе соответствующих тем­ пературно-временных параметрических зависимостей (как в предыдущем при­ мере) и с учетом протекания указанных процессов на стадиях нагрева и ох­ лаждения.

Так, термическая обработка малоуглеродистых и низколегированных марганцовистых сталей по режимам а и б (рис. 6.9), которые заметно отлича­ ются по каждой из стадий (нагрева, выдержки и охлаждения) в отдельности и по общей длительности, в целом обеспечивает получение сравнительно мало отличающихся механических свойств, так как указанные режимы характери­ зуются близкими величинами температурно-временного параметра отпуска Нр (Нр - параметр Холомона).

Рис. 6.9. Режимы термической обработки сварных изделий из углеродистой стали

(табл. 6.2)

Термическая обработка по режиму в, несмотря на отсутствие выдержки при максимальной температуре, характеризуется большим значением пара­ метра отпуска Нр за счет малых скоростей нагрева и охлаждения и, как след­ ствие, обеспечивает большую полноту релаксации напряжений и изменения механических свойств.

Параметр Холомона вычисляют по формуле Нр = Т- (20 + lg т)Т0'3,

где Т - температура, К; т = т„ + твыд + тохл-

Эквивалентное время нагрева и охлаждения т„ и тохл рассчитывается из условий равномерной скорости изменения температуры по формуле

Гн(охл) - Т / [2,3 • к • (20 - lg &)], где к - скорость нагрева (охлаждения), °С/ч.

Разработаны графики для определения т„ и т0Хл в зависимости от к для разных температур.

Другими словами, с точки зрения полноты релаксации напряжений и уровня конечных свойств сварных соединений и основного металла важно лишь выдержать определенную величину параметра отпуска Нр, при этом без­ различно за счет чего - температуры, времени выдержки, скоростей нагрева и охлаждения, он достигается.

В тех случаях, когда сварные соединения склонны к термическому трещинообразованию (ТТО), требуемый параметр отпуска предпочтительнее обеспечивать за счет максимально возможного повышения температуры вы­ держки при соответствующем уменьшении ее продолжительности и увеличе­ нии скорости нагрева.

Так, при отпуске сварных соединений стали 15Х1М1Ф по режиму 680 °С, 20 ч (Нр « 20,3ТО'3) в процессе термической обработки происходит образова­ ние трещин. В то же время равноценный по параметру Нр, а следовательно, и по уровню конечных свойств отпуск по режиму: ускоренный (100 °С/ч) нагрев в интервале 500-700 °С с выдержкой при 730 °С длительностью 2 ч позволяет избежать образования трещин.

6.4. Способы проведения термической обработки сварных конструкций

В зависимости от конструктивных особенностей, габаритов, места изго­ товления сварных конструкций (заводские или монтажные условия), а также наличия необходимых средств нагрева назначают местную или общую терми­ ческую обработку. Каждый их этих способов имеет свои особенности и ра­ циональные границы применения.

К преимуществам общей термической обработки относятся отсутствие заметного градиента температур по изделию, что позволяет избежать появления после термической обработки новых остаточных напряжений, а также зон ос­ новного металла с ухудшенными свойствами. Это важно для изделий с повы­ шенными требованиями к сохранению точности в процессе эксплуатации и для изделий, в которых возможно заметное снижение исходных свойств основ-

ного металла в результате нагрева в области градиента температур (напри­ мер, в теплоустойчивых Сг-Мо-V-сталях в зоне нагрева в межкритическом ин­ тервале температур существенно понижается жаропрочность).

Общая термическая обработка целесообразна также, если сварные конст­ рукции содержат большое количество сварных соединений, а их расположение не допускает размещения источников местного нагрева - коллекторов паровых котлов или барабанов высокого давления с большим количеством близко рас­ положенных штуцеров.

Однако во многих случаях проведение общей термической обработки невозможно или нецелесообразно: например, сочетание в сварных конструкци­ ях разнородных сталей и электродов требует различных режимов термической обработки после сварки.

Нецелесообразно проведение термической обработки с общим нагре­ вом в печи и при изготовлении изделий, имеющих большие размеры и ажур­ ное конструктивное исполнение, из-за опасности значительных поводок конст­ рукций и образования окалины на окончательно обработанных поверхностях.

Общая термическая обработка трудно осуществима и в монтажных усло­ виях, особенно при сварке пространственных конструкций типа трубопроводов.

Недостатками общей термической обработки являются потребность в специальных дорогостоящих печах и большая длительность цикла термиче­ ской обработки из-за сравнительно медленных скоростей нагрева и охлажде­ ния. Длительность общей термической обработки измеряется десятками, а иногда и сотнями, часов. При сварке термоупрочненных материалов это может привести к чрезмерному разупрочнению при отпуске основного металла.

Преимущества местной термической обработки:

-не нуждается в громоздком и дорогостоящем оборудовании;

-легко реализуется в монтажных условиях;

-позволяет широко использовать высокоэффективные электро­ нагревательные устройства, которые обеспечивают быстрый и равномерный прогрев обрабатываемого сечения изделия;

-особенно эффективна для пространственных конструкций с большим количеством однотипных сварных соединений, удаленных друг от друга;

-возможно осуществление непрерывного цикла сварки - термическая обработка, так как нагревательное устройство для термической обработки ис­ пользуется и для подогрева при сварке.

Недостатки местной термической обработки:

1. Неизбежно возникают новые собственные напряжения. Они появляют­ ся как при нагреве (но при повышении температуры и увеличении времени выдержки релаксируют), так и при охлаждении, переходя в остаточные. По­ этому размеры нагреваемой зоны и режим термической обработки должны вы­ бираться с таким расчетом, чтобы максимальные остаточные напряжения, воз­ никающие после термической обработки, действовали вне сварного соединения

ибыли невысоки.

2.Возможно ухудшение свойств металла в зонах градиента температур от комнатной до 7 ^ . Так, в сварных конструкциях из аустенитной Cr-Ni-стали, предназначенных для работы в агрессивных средах, в результате местной тер­ мической обработки может снизиться коррозионная стойкость в зоне нагрева

до 600-800 °С.

Для сталей, склонных к отпускной хрупкости, в зонах нагрева до 350-650 °С существует опасность охрупчивания основного металла, если ско­ рость охлаждения недостаточно высока.

Особое положение между общей и местной термической обработкой за­ нимает разновидность термической обработки, при которой нагреву подверга­ ются все поперечные сечения элемента, а нагревательное устройство переме­ щается вдоль элемента (рис. 6.10).

Описанию нагревательных уст­ ройств для местной и общей термиче­ ской обработки в литературе уделено достаточное внимание.

Нагревательные средства, исполь­ зуемые при общей термической обра­ ботке, относятся к оборудованию тер­ мических цехов, они подробно описаны в соответствующей литературе. Средст­ ва проведения местной термической об­ работки рассмотрены в работе [10,11].

Для местной термической обработки широко применяются индукцион­ ный нагрев токами промышленной и повышенной (400 - 2500 Гц) частоты, на­ грев электрическими печами сопротивления, газопламенный нагрев и другие средства нагрева.

По конструктивному оформлению нагревательные устройства также весьма разнообразны. Обычно их разделяют на жесткие разъемные, приспособ­

ленные к форме термически обрабатываемой детали, и гибкие, позволяющие придать нагревательному элементу необходимую форму. Их классификация, описание и методы расчета даны в указанной выше литературе.

6.5. Термическая обработка сварных соединений сталей

со специальными свойствами (коррозионно-стойких,

жаростойких и жаропрочных)

Сварные конструкции из этих сталей находят применение в химических и энергетических установках разного назначения и работают при воздействии активных сред в широком диапазоне температур.

Воздействие термодеформационного цикла сварки (ТДЦС) может при­ водить к снижению коррозионной стойкости и жаропрочности, а также к ох­ рупчиванию отдельных зон сварного соединения. Цель послесварочной терми­ ческой обработки - не только снятие сварочных напряжений, но и восстановле­ ние вышеперечисленных свойств.

Рис. 6.11. Классы коррозионно-стойких, жаростойких и жаропрочны х сталей

Классы сталей со специальными свойствами указаны на рис.6.11 [3 ], а области легирования, обеспечивающие разные структуры, - на диаграмме Шеффлера (рис. 6. 12) [3 ].

При сварке и термической обработке этих сталей в определенных крити­ ческих интервалах температур могут развиваться процессы, приводящие к не­