Металловедение сварки

Термическая обработка должна назначаться обязательно, если перерас­ пределение остаточных напряжений во время механической обработки, выле­ живания или эксплуатации может обусловить отклонение от заданной точности изделия в 10 %.

Также подлежат термической обработке сварные изделия, рассчитывае­ мые на прочность и жесткость, которые после нагружения приобретают оста­ точные деформации более 10 % от заданной точности, а также весьма точные конструкции машин, механизмов и измерительных приборов (указанные тре­ бования к сохранению точности относятся и к нетермообработанным изделиям из закаливающихся сталей, потеря точности которых может вызываться объ­ емными изменениями при распаде остаточного аустенита в процессе вылежи­ вания).

Основным видом термической обработки, обеспечивающим сохранение стабильных размеров сварных машиностроительных конструкций, является отпуск.

Некоторые машиностроительные сварные узлы работают под воздейст­ вием усталостного нагружения, поэтому при назначении термической обработ­ ки следует учитывать ее влияние на усталостную прочность.

В ряде работ показано, что усталостное нагружение неоднозначно и за­ висит от многих факторов: конструкции узла, технологии сварки, характера распределения остаточных напряжений и условий эксплуатации.

Введение отпуска для обеспечения усталостной прочности конструкций из низкоуглеродистой и низколегированной сталей в большинстве случаев нецелесообразно и может быть оправдано лишь в случаях значительного влия­ ния остаточных напряжений из-за концентраторов напряжений.

При сварке узлов химических и нефтехимических установок, работающих в агрессивных средах, основным назначением термической обработки являет­ ся снятие остаточных напряжений, проводимое для повышения стойкости к коррозионному растрескиванию при статических и повторно-статических на­ грузках. Снятие этих напряжений для сварных изделий из низкоуглеродистых сталей наблюдается уже при Готп « 500 °С, т = 1 ч.

При повышении прочности конструкционной стали и при переходе к вы­ сокопрочным сталям, чувствительным к коррозионному растрескиванию, не­ обходимо переходить к более сложной, в том числе и к высокотемпературной, обработке. В узлах из аустенитных сталей (типа Х18Н10Т) исключить коррози­ онное растрескивание можно начиная с температуры нагрева 800-850 °С.

Для изделий из аустенитных сталей термическая обработка может при­ меняться с целью предотвращения межкристаллитной коррозии (прежде всего ножевой). Чтобы устранить ее основную причину - растворение в ОШЗ при сварочном нагреве стойких карбидов ниобия и титана, необходим нагрев из­ делия после сварки до 850-900 °С, обеспечивающий обратное связывание этих элементов с углеродом в стойкие карбиды. Это полностью предотвращает и возможное отрицательное действие длительного нагрева в области критических температур на коррозионную стойкость сварных соединений.

При использовании в сварных соединениях сталей, стойких к коррозии (сверхнизкоуглеродистых или легированных избыточным количеством Nb и Ti), нет необходимости в термической обработке.

Основные факторы, определяющие назначение термической обработки сварных соединений по условию жаропрочности указаны на рис. 6.1. Его мож­ но использовать для определения необходимости уменьшения структурной и механической неоднородности разных зон соединения и снятия сварочных на­ пряжений.

Структурно стабильные хорошо сваривающиеся стали, не содержащие V, Ti, Nb и поставляемые без термоупрочнения, могут по условиям жаропрочно­ сти после сварки термически не обрабатываться. К таким сталям относятся низ­ коуглеродистые и низколегированные конструкционные стали умеренной прочности, теплоустойчивые стали 12ХМ, 15ХМ, а также аустенитные стали 12Х18Н9 и Х16Н5М2. Для узлов из этих сталей термическая обработка рег­ ламентируется обычно, начиная с определённой толщины свариваемых эле­ ментов, т. е. учитывается повышенная жёсткость конструкции.

Более легированные теплоустойчивые термически неупрочняемые стали, например Х2М, 15Х5М, X I3, подлежат обязательному отпуску, проводимому обычно либо непосредственно после сварки, либо с ограничением времени вылеживания между сваркой и термической обработкой. Эта операция необхо­ дима из-за повышенной подкалки сталей при сварке для исключения опасности образования холодных трещин в шве и ОШЗ.

Обязательной термической обработке для работы в условиях ползуче­ сти подлежат сварные узлы из теплоустойчивых и жаропрочных сталей и спла­ вов, упрочненных V, Ti и Nb, а также в меньшей степени Мо и W. Это обу­ словлено тем, что при сварке в условиях быстрого охлаждения эти элементы остаются обычно в твердом растворе, а при последующем нагреве в эксплуата­ ционном интервале температур выделяются в виде дисперсных карбидов, при­ водя к резкому охрупчиванию шва и ЗТВ. Такое охрупчивание способствует

образованию трещин при нагреве под термическую обработку в опасном ин­ тервале температур и развитию хрупких локальных разрушений в зоне сплав­ ления во время эксплуатации. При более высоких температурах отпуска изде­ лия происходит уже коагуляция карбидов этих элементов и пластичность восстанавливается.

6.2. Основные виды термической обработки и их влияние

на структуру и свойства сварных соединений

Специфической особенностью основных видов термической обработки сварных конструкций является восстановление структуры и свойств лишь

непосредственно зоны сварного соединения при оставлении по возможности без изменения структуры и свойств основного металла.

При назначении термической обработки только для снятия сварочных напряжений последнее достигается также нагревом пластически деформиро­ ванной зоны сварного соединения.

Операции отпуска для сварных узлов из перлитных, мартенситных и

бейнитных сталей и стабилизирующего отжига из аустенитных и ферритных сталей являются основными видами термической обработки сварных конст­ рукций.

Лишь при значительном изменении свойств отдельных зон под воздей­ ствием сварки, когда проведение отпуска или стабилизирующего отжига не приводит к требуемому восстановлению свойств, переходят к режимам, услов­ но называемым операциями полной термической обработки.

В первую очередь к ним относятся нормализация и закалка с после­ дующим отпуском или без него.

Отпуск - наиболее распространенный вид термической обработки свар­ ных конструкций из перлитных, бейнитных, мартенситных и других конструк­ ционных сталей, выполняемых всеми видами сварки.

В зависимости от температуры отпуск может быть высоким - 500-750 °С; средним - 300-450 °С; низким - 90-300 °С.

Основным из них является высокий отпуск, используемый для снятия остаточных напряжений и улучшения структуры и свойств шва и ЗТВ, для сня­ тия наклепа, вызванного пластическим деформированием при сварке и формо­ образовании заготовок, а также для устранения эффекта деформационного ста­ рения.

Низкий и средний отпуск применяется в сварных узлах из среднелегиро­ ванных высокопрочных сталей для частичного восстановления свойств соеди­

нения при невозможности полной термической обработки.

Полнота восстановления свойств при отпуске зависит от легирования

стали и ее термического состояния, от вида и режима сварки. При использова­

нии хорошо сваривающихся термически неупрочненных сталей умеренной

прочности выбираемая температура и длительность отпуска обычно обеспечи­

вают полное снятие остаточных напряжений и восстановление свойств свар­ ных соединений без заметного снижения прочности основного металла.

В то же время при отпуске крупногабаритных изделий или при много­

кратном отпуске отдельных узлов нужно считаться с изменением свойств ос­ новного металла.

В большинстве случаев свойства материала конструкции соответствуют

свойствам, полученным на контрольных образцах, вырезаемых из заготовок.

Такой метод контроля материала сварной конструкции является основным и наиболее удобным.

С повышением степени легирования стали, ростом ее прочности и ис­

пользованием эффекта термического упрочнения основного металла выбор ра­ ционального режима отпуска усложняется.

С одной стороны, под действием сварки ухудшается пластичность ме­

талла разных зон сварного соединения, что требует повышения температуры

отпуска для ее восстановления, с другой - для обеспечения нужной прочно­ сти основного металла температура отпуска стали обычно должна быть ниже

требуемой по условию полного восстановления пластичности металла сварного соединения. В связи с этим в каждом конкретном случае при выборе режима

и уровень неснятых остаточных напряжений.

Выбор режима отпуска усложняется и при изготовлении крупногабарит­ ных конструкций с большим числом швов, обрабатываемых последовательно и многократно.

Так, в производстве ответственных толстостенных сосудов после сварки каждого кольцевого шва обечаек необходим отпуск для устранения опасности образования возможных трещин. Поэтому при постепенном наращивании обечаек в корпусе отдельные из них подвергаются многократному нагреву, могущему сильно изменить свойства основного металла. Обычно в этих усло­ виях промежуточный отпуск ведут при пониженных температурах, имея в виду

прежде всего устранение опасности образования трещин в сварном соедине­ нии, а окончательный отпуск назначают при температуре, обеспечивающей необходимый уровень свойств сварного соединения.

Имеются рекомендации в качестве промежуточной операции отпуска вводить отдых (средний отпуск) с температурой нагрева до 300-400 °С. Его целью является снижение напряженности структур закалки ОШЗ и шва и удаление из них водорода, наличие которого резко увеличивает вероятность появления холодных трещин.

Опасность образования трещин в процессе вылеживания между сваркой и отпуском узлов из закаливающихся сталей заставляет ограничивать время вылеживания, а иногда проводить отпуск непосредственно после окончания сварки без охлаждения изделия с температуры подогрева. В отдельных случаях, например при сварке высокохромистых нержавеющих сталей, рекомендуется для получения оптимальных структур и свойств шва и ОШЗ вводить перед от­ пуском при 300-400 °С промежуточное охлаждение до 100-150 °С. При выборе режима и условий проведения отпуска необходимо учитывать и его возмож­ ные отрицательные последствия, указанные на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Факторы вредного влияния термической обработки

Полная термическая обработка сварных соединений из конструкционных сталей предусматривает нагрев изделия выше верхней критической температу­ ры полиморфного превращения Ас3 с интенсивным охлаждением в средах (за­ калка) или на воздухе (нормализация) с последующим отпуском или без него. Перекристаллизация структуры при нагреве выше критических точек обеспе­ чивает значительно большее восстановление свойств разных зон сварного со­ единения, чем при отпуске.

Она приводит к изменению зерна на участке перегрева ОШЗ и шва, а также к "залечиванию" всякого рода зародышевых повреждений и снижению концентрации легирующих элементов и примесей на границах зерен (уменьше­ ние сегрегации). Это определяет основное назначение операций полной терми­ ческой обработки (рис.6.3) для тех случаев, когда проведение отпуска не по­ зволяет довести до требуемого уровня свойства отдельных участков сварного соединения.

Среднелегированные стали из-за замедленной кинетики распада аустени­ та в условиях охлаждения при всех возможных режимах сварки и термической обработки получают в шве и ОШЗ бейнитно-мартенситную структуру.

Рис. 6.3. Н азначение и области применения полной термической обработки сварных конструкций

В этом случае при нагреве под закалку до температуры на 30 50 °С выше температуры Ас3 исходная крупнозернистая структура аустенита ОШЗ и

шва как бы восстанавливается. Дело в том, что новые мелкие зерна аустенита сохраняют кристаллографическую ориентацию исходного крупного аустенит­ ного зерна, что не обеспечивает завершение структурной перекристаллизации

(при металлографически мелком зерне излом по-прежнему крупнозернистый, чаще всего ’’нафталинистый”).

Лишь нагрев на более высокие температуры приводит к рекристаллиза­

ции аустенита, получившего фазовый "наклеп" в результате а -> у - превраще­ ния, и измельчению зерна. Например, для стали 37XH3A измельчение зерна

аустенита обеспечивает только нагрев на 200 °С выше точки Асу

Иногда для обеспечения перекристаллизации крупнозернистой структу­

ры ОШЗ при нагреве под закалку требуется специальная предварительная тер­

мообработка, подготавливающая структуру металла сварного соединения.

Так, для устранения крупнозернистости ОШЗ и металла шва сварных листовых

конструкций из высокопрочных сталей мартенситного класса типа

35ХЗГСНМВФА проводят изотермический отжиг с распадом мартенсита в перлитной области температур.

6.3. Выбор режимов термической обработки

Простейшим видом термической обработки, предназначенным для пре­ дупреждения холодных трещин в сварных соединениях сталей с полиморфны­ ми превращениями мартенситного типа, является подогрев, который осущест­ вляется при сварке непосредственно после ее окончания. В этом случае опера­ ция термической обработки (низкого отпуска) называется отдыхом или после­ дующим подогревом.

Режим подогрева (отдыха) принимается с учетом факторов, определяю­ щих склонность к холодным трещинам:

-химического состава стали, оцениваемого обычно углеродным эквива­

лентом;

-типа соединения, толщины свариваемых элементов и погонной энергии сварки, характеризующих скорость охлаждения.

Важное значение имеет также содержание диффузионного водорода, ко­ торое зависит от способа сварки и состава сварочных материалов.

Обычно режим отдыха выбирается по результатам экспериментальных исследований с помощью технологических проб или механических испытаний сварных образцов и образцов из основного металла, обработанных по циклу ОШЗ, а также с учетом опыта изготовления аналогичных конструкций из ме­ таллов близкого легирования.

Впоследние годы значительное внимание уделяется созданию расчет­ ных методик для предварительного определения режима подогрева (отдыха), гарантирующего отсутствие холодных трещин.

жет составлять 450-500 °С.

В изделиях сложной конструкции могут возникнуть в процессе нагрева высокие местные термические напряжения, достаточные для образования тре­ щин, если греть недостаточно медленно. В этом случае должна быть VH <10 20 °С /ч. Это достигается либо загрузкой в холодную печь, либо загрузкой в нагретую печь непосредственно после сварки, не допуская охлаждения с тем­ пературы подогрева.

Если опасность образования трещин отсутствует, скорость нагрева на на­ чальном этапе может быть повышена до 80 °С/ч. Скорость нагрева выше 300-400 °С/ч, как правило, регламентируется нормативными материалами. Максимальная скорость нагрева при общей термической обработке может со­ ставлять 200-250 °С/ч, а минимальная 38-55 °С/ч. При толщине стенки до 25 мм (изделия средней сложности) максимальная скорость нагрева должна быть 200 °С /ч, при большей - рассчитана по формуле

VH= 200- (25/5) °С/ч,

где 5 - толщина детали, мм.

При местной термической обработке сварных соединений простой кон­ фигурации могут быть реализованы скорости нагрева значительно более высо­ кие, чем при общем нагреве в печи.

Если верхние значения VHрегламентируются исходя из условия преду­ преждения высоких термических напряжений и деформаций, то минимальная

V„ ограничивается исходя из условия предупреждения ухудшения свойств сварных соединений или основного металла во время прохождения опасных интервалов температур, в которых происходят неблагоприятные структурные изменения, приводящие к охрупчиванию, образованию трещин термической обработки (ТТО), снижению коррозионной стойкости и др.

Например, эффект дисперсионного твердения ОШЗ теплоустойчивых Cr-Mo-V- сталей заметно усиливается при нагреве со скоростью < 50 °С/ч. Ре­ комендуемое значение скорости нагрева сварных соединений этих сталей в ин­ тервале 500—700 °С составляет не менее 100 °С/ч. Для сварных соединений аустенитных хромоникелевых стабилизированных сталей рекомендуется ми­ нимальная VH в интервале 600-800 °С >120 °С/ч.

Более точно значения минимальной VH, исключающие образование тре­ щин при термической обработке, могут быть определены по результатам релак­ сационных испытаний образцов или по технологическим сварным пробам, на­ греваемым с разной скоростью, как это показано на рис. 6.5 для сплава Рене-41 на основе Ni.

Т,°С

Рис. 6.5. Влияние скорости нагрева технологических сварных проб из сплава Рене-41 на образование тре­ щин термической обработки: 1 ,2 ,3 - трещ ин нет; 4 , 5 - трещ ины есть

Применительно к скорости нагрева различают допускаемую VHи техно­ логически возможную V,, при использовании конкретного нагревательного уст­ ройства.

Индукционные нагреватели обеспечивают более высокую скорость на­ грева, чем печи. Допустимая скорость нагрева при местной термической обра­ ботке также выше.