Сварка — самый надежный, быстрый и экономичный способ создания неразъемных соединений металлов и их сплавов. В ходе сварочного процесса металл нагревается до температуры плавления.
Это вызывает в нем внутренние напряжения. Кроме того, на поверхности сварочного шва остается шлак.
Для удаления шлака и снятия внутренних напряжений в металле применяются различные способы обработки сварного шва.
Обработка сварного шва
Основные способы обработки сварных соединений
Наиболее распространенными стали следующие методы обработки сварного шва:
- Термическая. Применяется для ликвидации внутренних остаточных напряжений. Проводится путем локального или общего прогрева.
- Механическая. Зачистка сварных швов после сварки удаляет шлаки и окалину с поверхности соединения.
- Химическая. Состоит из обезжиривания и покрытия защитным слоем. Препятствует возникновению коррозионных очагов. Метод используют для обработки материалов, подверженных коррозии, которым предстоит работать в активных средах.
Способ воздействия выбирают, применяясь к техническим требованиям к конструкции и условиям ее эксплуатации. Часто применяют последовательно все три метода.
Термообработка
Термическая обработка сварных соединений обязательно проводится после сварки тонкостенных изделий, особо подверженных деформациям под воздействием внутренних напряжений. К таким конструкциям относятся трубопроводы, различные емкости, сосуды давления.
Термическая обработка сварного шва
Проводится термообработка и для большинства ответственных конструкций, таких, как корпуса атомных и химических реакторов.
Заключается термообработка в нагреве детали и ее последующем охлаждении по строго заданному температурному графику.
Зачем нужна
В ходе сварки нагревается небольшая область детали в районе шва. Неравномерный прогрев и приводит к возникновению внутренних напряжений, способных деформировать или даже разрушить деталь. Кроме того, в зоне неравномерного нагрева изменяется структура кристаллической решетки металла, что приводит к ухудшению его физико-механических и химических свойств.
Рядом со сварным швом зона закалки, в которой прочность повышена, а упругость, наоборот, понижена. Ее окружает зона разупрочнения, в которой пластичность сохраняется, а прочность становится ниже, чем была до сваривания.
Термическая обработка сварных соединений призвана восстановить внутреннее строение металла и его свойства, вернуть характеристики прочности, пластичности и коррозионной устойчивости к проектным значениям.
Особенности проведения
Обработка осуществляется при высоких температурных значениях, в диапазоне 600- 1000 °С. Это позволяет преодолеть негативные последствия неравномерного нагрева и приблизить структуру шва и околошовной зоны к структуре самой детали.
Обработка проходит в три стадии:
- Нагревается область рядом со швом.
- Конструкция выдерживается некоторое время в нагретом состоянии.
- Изделие охлаждается в соответствии с графиком обработки.
Процесс термообработки швов на трубопроводе
Существует несколько видов обработки сварного шва. Выбор зависит от конфигурации конструкции, толщины детали и цели, которую собираются достигнуть.
Для каждого вида обработки применяется свой специфический график нагрева, выдержки и охлаждения.
Достоинства и недостатки
К достоинствам обработки нагревом относят:
- Восстановление целевых характеристик прочности и пластичности;
- Снятие внутренних напряжений, обеспечение долговечности шва и всей конструкции;
- Улучшение, при необходимости, этих показателей.
Отрицательные моменты при проведении обработки нагревом следующие:
- Высокие требования к квалификации работников.
- Необратимость процессов. В случае несоблюдения графика термообработки сварных швов исправить брак практически невозможно.
- Требуется дорогостоящее и громоздкое оборудование
- Высокое энергопотребление, низкая экологичность.
В большинстве случаев преимущества перевешивают недостатки.
Что подвергают обработке
Термообработке подвергают сварные швы в ответственных конструкциях. Сюда входят
- магистральные трубопроводы
- сварные конструкции различных механизмов и станков, испытывающих высокие нагрузки
- изделия, которым предстоит работать в сложных условиях эксплуатации.
При термообработке сравнительно небольших изделий используют муфельные печи.
Самодельная муфельная печь
Для обработки нагревом габаритных конструкций применяют нагрев пламенем газовых горелок или индукционный способ. В отдельных случаях применяют радиационный метод.
Термообработку для повышения коррозионной стойкости следует проводить по возможности скорее по окончании сварки.
Параметры проведения процесса
Продолжительность процесса во многом определяется маркой сплава и толщиной заготовки. Для хром-молибденовых сплавов применяют индукционный или радиационный способы нагрева. С увеличением толщины типовая продолжительность нагрева (в минутах) растет:
| Толщина детали, см | Радиационный | Индукционный |
| 2,0 | 40 | 25 |
| 2,0-2,5 | 70 | 40 |
| 2,5-3,0 | 100 | 40 |
| 3,0-3,5 | 120 | 60 |
| 3,5-4,5 | 140 | 70 |
| 4,5-6,0 | 150 | 90 |
| 6,0-8,0 | 160 | 110 |
Индукционный способ требует меньшего времени на обработку, но отличается большими энергозатратами. Перед обработкой следует обязательно выполнить зачистку сварочного шва.
Используемое оборудование
Термообработка сварных швов выполняется с использованием нескольких основных способов, каждый требует своего набора оборудования:
- Индукционный. Требует генератора высокочастотного переменного тока большой мощности. Нагревательным элементом является катушка индуктивности, намотанная поверх участка детали, подлежащего нагреву.
- Радиационный. Используется инфракрасное излучение от нагретой нихромовой проволоки, через которую пропускается сильный электрический ток. Требует мощных источников тока. Может применяться для прогрева материалов со слабыми электромагнитными свойствами.
- Газовый. Наиболее экономичный по энергозатратам способ. Используется специальная горелка. Факел пламени формируется так, чтобы равномерно прогневать зону термообработки.
Выбор метода нагрева проводят, сопоставляя цель обработки, толщину конструкций, характеристики материала и экономические соображения.
Виды термической обработки
Виды термообработки сварных швов различаются по своей цели. Специалисты отличают следующие процессы:
- Отдых. Конструкцию доводят до 300 °С и выдерживают полтора — два часа. Снижает механические напряжения и снижает содержание водорода в материале шва.
- Отпуск. Состоит в нагреве до 700 °С и трехчасовой выдержке. Практически полностью снимает напряжения, дает возможность повысить пластичность.
- Нормализация. Всю конструкцию, включая шов, нагревают до 800 °С и выдерживают 30-40 минут. Позволяет достичь однородности и мелкозернистости структуры металла. Используется на изделиях малой толщины.
- Аустенизация. Изделие нагревают до 1100 °С и выдерживают 120 минут. Охлаждение проводят при комнатной температуре. Повышает пластичность высоколегированных сплавов за счет преобразования их кристаллической структуры.
- Отжиг. Нагрев до 960 °С, трехчасовая выдержка и остывание при комнатной температуре. Используется для высоколегированных сплавов для повышения коррозионной стойкости.
Индукционный отпуск сварного шва
Подготовка труб к нормализации сварного шва
Как правило, перед термообработкой проводится зачистка сварного соединения.
Контроль температуры
При проведении термообработки ключевое значение имеет температура нагрева конструкции. Для контроля температуры применяют:
- Термокарандаш и термокраска. Представляют собой химическое соединение, меняющее цвет по мере изменения температуры. Наносятся на поверхность изделия.
- Тепловизоры и пирометры. Электронные устройства, дистанционно измеряющие температуру.
Термокарандаши и термокраска – традиционные средства, достаточно трудоемкие в применения и требующие постоянного визуального контроля со стороны оператора и его оперативного вмешательства в случае выхода параметров за пределы допустимых значений.
Пирометр
Тепловизоры и пирометры обладают большей точностью и могут быть встроены в автоматическую систему поддержания постоянной температуры.
Другие виды обработки
Кроме термообработки, широко используются также механические и химические виды очистки сварных швов.
Механическая
Проводится с использование проволочных щеток или абразивных дисков. В промышленных условиях щетка, диск или лепестковая абразивная насадка закрепляет в угловой шлифовальной машинке (в быту называемой «болгарка»)
Способом механической зачистки с поверхности соединения удаляют шлаки, окалину, брызги застывшего металла и оксидную пленку.
Механическая обработка сварного шва
Зачистка сварного шва после сварки применяется перед термообработкой или покраской.
Химическая
Призвана удалить с поверхности шва следы жира, смазки, оксидные пленки и другие загрязнения. Проводится перед нанесением на конструкцию покрытий, предохраняющих от коррозии.
Травление — обработка сильнодействующими кислотами — проводится перед механической обработкой. После нее проводят пассивацию — нанесение вещества, образующего на поверхности защитную пленку.
Химическая обработка сварного шва
Химическая обработка металла проводится химически активными веществами, многие из которых пожароопасны и могут причинить серьезный вред здоровью. Поэтому следует строго соблюдать правила техники безопасности.
Методы снижения сварочных напряжений и устранения остаточных деформаций
Методы снижения сварочных напряжений и устранения остаточных деформаций
Если меры предотвращения образования сварочных напряжений и деформаций оказываются недостаточными, появляется необходимость в устранении (снятии) возникших напряжений и деформаций.
Снятие сварочных напряжений путем термообработки. Для полного снятия напряжений сварные соединения подвергают термообработке. С этой целью при сварке углеродистых конструкционных сталей проводят общий высокий отпуск конструкции (нагрев до 630 — 650ºС с выдержкой при этой температуре в течение 2- 3 мин на 1 мм толщины металла).
Охлаждение должно быть медленным для того, чтобы при его прохождении снова не возникли напряжения. Режим охлаждения в основном зависит от химического состава стали. Чем больше содержание элементов, способствующих закалке, тем меньше должна быть скорость охлаждения.
Во многих случаях деталь охлаждают до температуры 300ºС с печью, а затем на спокойном воздухе.
При высоком отпуске сварочные напряжения снимаются вследствие того, что при температуре 600ºС предел текучести металла близок к нулю и материал практически не оказывает сопротивления пластической деформации, в процессе которой происходит релаксация сварочных напряжений.
При температуре отпуска 600 — 620ºС наблюдается некоторое охрупчивание металла, порог хладноломкости перемещается в сторону положительных температур. Особенно это проявляется на сталях, содержащих ванадий.
Снижение температуры отпуска до 550 — 560ºС устраняет указанный недостаток.
В ряде случаев можно ограничиться высоким отпуском отдельных элементов конструкции. Так, при изготовлении сферических резервуаров для хранения различных продуктов ограничиваются только отпуском лепестков с приваренными люками.
Отпуск отдельных узлов применяют также при изготовлении сварных рам тележек вагонов и локомотивов.
Такие операции значительно проще, чем отпуск всей конструкции, и, как показал опыт, обеспечивают требуемую эксплуатационную надежность.
Высокий отпуск является дорогой операцией, удлиняющей технологический процесс изготовления конструкции, и его следует применять в действительно необходимых случаях.
Если механическая обработка проводится на детали, не прошедшей отпуска, то в связи с перераспределением напряжений может произойти изменение ее размеров.
В большинстве случаев при сварке изделий из стали с повышенным содержанием углерода и легирующих элементов можно ограничиться только предварительным местным или общим подогревом и не проводить последующей термообработки.
Термопластический метод снятия напряжений. Метод основан на создании пластических деформаций в зоне шва, что осуществляется путем нагрева смежных со швом участков основного металла.
При этом достигается тот же эффект, что и при растяжении внешними силами. Снятие напряжений достигается только при тщательной регулировке источника нагрева и определенной скорости перемещения его вдоль шва.
Снятие сварочных напряжений с помощью аргоно-дуговой обработки. Одной из мер снятия сварочных напряжений является расплавление участка перехода от шва к основному металлу неплавящимся электродом в аргоне.
При этом нарушается равновесие внутренних сил напряженного поля вследствие перехода части металла в жидкое и пластическое состояние.
Естественно, что при кристаллизации расплавленного металла будут вновь возникать напряжения, однако они сравнительно малы, так как количество этого металла во много раз меньше, чем металла шва.
Расплавление небольшого количества основного металла и металла шва приводит к уменьшению напряжений на 60 — 70%. Получаемый при этом плавный переход от шва к основному металлу способствует значительному повышению прочности сварных соединений при переменных нагрузках (рис. 1.)
Рис. 1. Кривые выносливости сварных образцов из стали 10Г2Б с накладками: 1 — швы оплавлены; 2 — швы не обработаны
Снятие сварочных напряжений путем проковки металла шва и околошовной зоны. Сварочные напряжения могут быть сняты почти полностью, если в шве и околошовной зоне создать дополнительные пластические деформации. Это достигается проковкой швов.
Проковку производят в процессе остывания металла при температурах 450ºС и выше либо от 150º С и ниже. В интервале температур 400 — 200ºС в связи с пониженной пластичностью металла при ее проковке возможно образование надрывов. Специальный нагрев сварного соединения для выполнения проковки, как правило, не требуется.
Удары наносят вручную молотком массой 0,6 — 1,2 кг с закругленным бойком или пневматическим молотком с небольшим усилием. При многослойной сварке проковывают каждый слой, за исключением первого, в котором от удара могут возникнуть трещины.
Этот прием применяют для снятия напряжений при заварке трещин и замыкающих швов в жестких конструкциях. Проковка сварного соединения также способствует повышению усталостной прочности конструкции.
Снятие сварочных напряжений путем нагружения конструкции до напряжений, равных пределу текучести металла. Эффективной мерой снятия сварочных напряжений в конструкциях, изготовляемых из незакаливающихся сталей, является воздействие на сварную конструкцию внешних сил, от которых в ней возникают напряжения, равные пределу текучести металла.
Нагружение конструкции должно быть статическим и проводиться в условиях, когда металл находится в пластическом состоянии (при положительной температуре). Такой метод снятия напряжений особо следует рекомендовать для конструкций, работающих в тяжелых условиях эксплуатации (низкие температуры, большие скорости приложения нагрузок) перед вводом их в работу.
Если в первый период эксплуатации конструкция работает в условиях, когда металл находится в пластическом состоянии, происходит смягчение остроты концентраторов напряжений. При этом сварочные напряжения не повлияют на статическую прочность конструкции при тяжелых условиях ее эксплуатации.
При снятии напряжений этим способом не все элементы конструкции могут быть нагружены до предела текучести. Поэтому напряжения снимаются только в элементах, наиболее нагруженных от прилагаемых нагрузок, в остальных, например в участках с приваренными ребрами, фланцами и т.п.
, они остаются почти без изменений.
Нагружение до предела текучести конструкций, при сварке которых возможно образование малопластических закалочных структур в околошовной зоне, не приводит к снятию сварочных напряжений. В этом случае сварочные напряжения могут быть сняты только высоким отпуском. Выполнен ряд исследовательских работ по уменьшению либо полному устранению сварочных напряжений при помощи ультразвука.
Устранение деформации путем термической правки. При термической правке нагрев производят газокислородным пламенем либо электрической дугой неплавящимся электродом. Температура нагрева деформированного участка при термической правке составляет 750 — 850º С.
Нагретый участок стремится расшириться, однако окружающий его холодный металл ограничивает возможность расширения, в результате чего возникают пластические деформации сжатия.
После охлаждения линейные размеры нагретого участка уменьшаются, что приводит к уменьшению или полному устранению деформаций
На рис. 2, а показаны деформированная балка с приваренными косынками и места, подлежащие нагреву при правке.
Если балка таврового сечения деформируется после сварки в сторону пояса, то рекомендуется править ее, как показано на рис. 2, в, и нагревать ряд участков самого пояса.
В практике часто наблюдается сложная деформация стенки и пояса (рис. 2, б). Для устранения такой деформации производят нагрев как вертикальной стенки, так и пояса.
Рис. 2. Правка деформированной тавровой балки нагревом (кружками и полосками указаны места нагрева): а — правка при вогнутой полке, б — правка при сложной деформации, в — правка при выпуклой полке
Для правки сварных конструкций требуется определенный навык. Поэтому, если в производственных условиях неизбежна правка конструкций, то для выполнения термической правки необходимо специально обучать рабочих.
В случае деформации тонкого листа, приваренного к массивной раме, правку можно осуществлять путем нагрева в симметрично расположенных точках с выпуклой стороны листа. Нагрев следует начинать от центра выпуклости.
Устранение деформации путем механической правки. Для устранения деформации механическую правку можно осуществлять на прессах или при толщине металла до 3 мм вручную ударами молотка. Этот вид правки менее целесообразен, чем термическая правка, и его применение следует ограничивать.
При механической правке образуется местный наклеп, повышающий предел текучести металла. Пластические свойства металла резко снижаются, особенно у кипящей стали.
Вызываемая наклепом неоднородность механических свойств сказывается отрицательно на статической прочности конструкции и при эксплуатации конструкции под переменными нагрузками.
Особенности и виды отпуска стали как способа термообработки металла. Отпуск стали – почему материал укрепляется?
Отпуск стали (ОС) — это разновидность термической обработки, при которой происходит постепенный нагрев металла с последующим его остыванием.
В большинстве случаев отпускную процедуру выполняют на заключительном этапе сразу же после закалки. ОС может выполняться как до, так и после формирования детали из стального полуфабриката.
Позволяет устранить внутренние напряжения внутри металла, которые негативно влияют на его физическую структуру, свойства.
Внутренние напряжения на химическом уровне — это нарушения кристаллической структуры металла. Из-за них происходит неравномерное распределение углерода, легирующих добавок по металлическому сплаву. Отпуск позволяет перераспределить эти элементы более равномерно.
Это улучшает физико-химические свойства материала (пластичность, прочность, сохранение формы, химическая инертность). Нагрев осуществляется с помощью специальных печей в защитной среде (масляные, селитровые или щелочные ванны).
Способ охлаждения деталей после нагрева — воздушный (обычно) или жидкостной (редко).
Качество отпуска стали зависит от следующих физических параметров термической процедуры:
- Температура нагрева. ОС может выполняться при температурах от 100 до 700 градусов, а чем выше будет температура нагрева, тем выше лучше будет качество обработки. Объясняется эта зависимость тем, что при более высоких температурах происходит более глубокое изменение структуры кристаллической решетки. В основном за счет процессов полигонизации, рекристаллизации.
- Длительность нагрева. Длительность ОС обычно составляет от 1 до 3 часов, хотя существуют и более длительные форматы. Все основные процессы в материале проходят в первые 20-40 минут. Дополнительная выдержка нужна для равномерного распределения атомов углерода, железа, легирующих добавок по всей толщине материала.
- Скорость остывания. Здесь правило предельно простое — чем медленнее будет проходить остывание, тем выше будет качество материала. Чтобы замедлить остывание, металлурги используют различные уловки, хитрости. Главная хитрость — это помещение материала в масляную, селитровую или щелочную среду, которая замедляет остывание материала. Теоретически остывание можно выполнять и без применения жидкостных сред, однако скорость остывания будет высокой, что негативно скажется на качестве ОС.
Виды отпуска стали
Главный технический параметр ОС — это температура нагрева. Различают 3 типа ОС — высокий, средний и низкий.
Конечно, высокотемпературный отпуск является оптимальным средством обработки, поскольку чем выше температура нагрева, тем более активно будет происходить рекристаллизация металла.
Однако низко- и среднетемпературные способы обработки также имеют практическую пользу, которую не стоит недооценивать. Ниже мы рассмотрим каждый тип ОС по отдельности.
Высокий отпуск стали — это вариант отпускной обработки при температуре от 500 до 700 градусов.
Данный способ является самым эффективным, поскольку при таком нагреве происходит полигонизация и рекристаллизация материала, что позволяет устранить все напряжения внутри металла.
Обычно длится от 2 до 3 часов. В случае обработки сложных конструкций рекомендованное время может увеличиваться до 6 часов.
В ходе высокого отжига происходит процесс рекристаллизации (приводящей вещество в состояние большей термодинамической устойчивости) в сочетании со сфероидизацией цементита. Частицы цементита приобретают округлую форму размером от 0,5 до 2 мкм.
, приобретается структура сорбита отпуска с зернистой формой. Сорбит отпуска наделяет сталь повышенной ударной вязкостью. Легированные стали приобретают структуру зернистого перлита.
Обеспечивается структурная стабильность, снимается внутреннее напряжение.
Технологические процессы на нашем заводе проводятся в современном компьютеризированном оборудовании под управлением квалифицированного персонала. Это помогает добиться самых высоких показателей в области химико-термической обработки металлов. У нас практикуется индивидуальный подход к каждому клиенту и каждому заказу.
Главный недостаток высокотемпературного отпуска — это небольшое снижение прочности материала. Поэтому методика не годится для обработки деталей, которые во время эксплуатации будут испытывать сверхвысокую нагрузку.
Высокотемпературная методика распространяется на все виды стали, однако обратите внимание, что в случае некоторых легированных сплавов во время обработки может возникнуть так называемая обратимая высокотемпературная хрупкость.
Основная особенность среднего отпуска — активная диффузия углерода без полигонизации и рекристаллизации сплава. В случае среднетемпературной обработки улучшается упругость материала, повышается его релаксационная стойкость.
Температура отпуска стали в данном случае находится в пределах от 350 до 500 градусов. Средний срок проведения обработки — 2-4 часа. Оптимальная среда — маслянистая или щелочная. Средняя обработка хорошо подходит для прочных деталей сложной формы — рессоры, пружины, ударные конструкции.
Однако на практике данная технология используется редко в связи с рядом ограничений:
- В температурной диапазоне от 250 до 300 градусов находится так называемый островок хрупкости первого рода, которого следует избегать. Одновременно с этим при температуре выше 500 градусов находится другой островок хрупкости второго рода (его тоже рекомендуется избегать). Об особенностях этих островков мы расскажем ниже. А небольшое отклонение температуры в большую или меньшую сторону во время отпуска может привести к фатальным последствиям.
- Методика не имеет преимуществ в сравнении с альтернативными технологиями (низкой и высокой). Одновременно с этим слабые печи для обработки обычно не могут нагревать рабочую среду до таких температур, а более сильные печи могут нагреваться до более высоких температур, что неудобно с практической точки зрения.
Низкий отпуск стали — методика обработки стального сплава или изделия, при которой нагрев осуществляется до температуры от 100 до 250 градусов. Срок обработки обычно составляет 1-3 часа в зависимости от типа детали, ее габаритов.
Во время низкотемпературной обработки происходит диффузия частиц углеродистых компонентов без полигонизации и рекристаллизации атомной решетки.
Это позволяет повысить некоторые физические характеристики материала — прочность, пластичность, твердость, химическую инертность.
Низкий отпуск — универсальная технология, однако по факту ее применяют в основном для отпуска изделий из низколегированных и высокоуглеродистых сталей (ножи, посуда, простые детали). Также нужно избегать нагрева материала выше температуры 250 градусов (в противном случае он попадет в островок хрупкости первого рода, что чревато необратимой порчей металла).
Таблица температур закалки и отпуска сталей
| № п/п | Марка стали | Твёрдость (HRCэ) | Температ. закалки, град.С | Температ. отпуска, град.С | Температ. зак. ТВЧ, град.С | Температ. цемент., град.С | Температ. отжига, град.С | Закал. среда | Прим. |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| 1 | Сталь 20 | 57…63 | 790…820 | 160…200 | 920…950 | Вода | |||
| 2 | Сталь 35 | 30…34 | 830…840 | 490…510 | Вода | ||||
| 33…35 | 450…500 | ||||||||
| 42…48 | 180…200 | 860…880 | |||||||
| 3 | Сталь 45 | 20…25 | 820…840 | 550…600 | Вода | ||||
| 20…28 | 550…580 | ||||||||
| 24…28 | 500…550 | ||||||||
| 30…34 | 490…520 | ||||||||
| 42…51 | 180…220 | Сеч. до 40 мм | |||||||
| 49…57 | 200…220 | 840…880 |
Термическая обработка (отпуск) сварных конструкций
- При проектировании сварных конструкций и разработке технологии их изготовления должно уделяться большое внимание способам предотвращения или устранения сварочных напряжений и деформаций, поскольку последние могут оказывать отрицательное влияние на прочность, коррозионную стойкость и жесткость сварных конструкций.
- В основу способов снижения или устранения сварочных напряжений и деформаций могут быть положены три принципа, учитывающие физическую сущность процессов, происходящих при сварке:
- 1) снижение величины пластической деформации укорочения либо ширины зоны ее распространения при нагреве путем регулирования термического воздействия при сварке, уменьшения погонной энергии, использования предварительного подогрева, приложения усилий при сварке.
- 2) увеличение пластических деформаций удлинения либо в процессе охлаждения сварного шва, либо после сварки путем прокатки, проковки, растяжения, вибрации.
- 3) компенсация деформаций путем создания предварительных деформаций, обратных по знаку сварочным, рациональной последовательностью сборки и сварки.
- Существует много способов, позволяющих уменьшить или устранить сварочные напряжения и деформации. В зависимости от того, решается ли вопрос получения абсолютно точной конструкции, входящей по размерам в предел допусков непосредственно после окончания сварки, или технологический процесс, строится, с применением послесварочных методов обработки конструкции, способы борьбы с напряжениями и деформациями делят на две группы:
- 1) способы предупреждения и регулирования деформаций;
- 2) способы устранения напряжений и деформаций после сварки.
- Одним из способов, относящихся ко второй группе, является отпуск сварных конструкций.
- Специфика производства сварных конструкций привела к развитию различных видов отпуска (общий, местный, промежуточный), отличающихся между собой по организационно-техническим признакам, виду применяемого оборудования и очередности.
Наибольшее распространение получил общий отпуск, при котором вся деталь, узел конструкции или часть детали целиком помещаются в печь и подвергаются термической обработке. Операция общего отпуска состоит из четырех стадий: нагрева, выравнивания температуры по объему детали, выдержки и остывания (рис.24).
 Рис. 24. Основные стадии термического цикла (общего отпуска):
|
Характерной особенностью общего отпуска является — близкое к равномерному распределение температуры по всему объему детали в процессе выдержки. Степень равномерности распределения температуры зависит от совершенства применяемого нагревательного оборудования и ведения процесса нагрева.
Отпуск — многоцелевая операция. Он может смягчать зоны закалки, ускорять процессы распада неустойчивых структур, устранять наклеп металла, вызванный сварочными пластическими деформациями, улучшать свойства металла и его хладостойкость в зонах деформированного старения при сварке, снижать остаточные напряжения.
И хотя снижение напряжений сильно зависит от химического состава и свойства материала, тенденция всегда остается неизменной — с повышением температуры отпуска и увеличением продолжительности выдержки снижение напряжений обычно усиливается.
Оптимальные режимы отпуска конструкций с целью снятия напряжений определяются в каждом конкретном случае расчетным путем с использованием экспериментальных релаксационных характеристик основного материала и различных зон сварных соединений.
Тем не менее, можно сформулировать некоторые общие рекомендации, которые желательно учитывать при назначении режимов отпуска с целью снижения остаточных напряжений.
Так, учитывая, что скорость подъема температуры во время нагрева в пределах, применяемых на практике режимов, почти не влияет на релаксацию напряжений, следует применять форсированные нагревы в пределах, не вызывающих опасности разрушения сварных конструкций в печи на стадии нагрева или чрезмерное их деформирование. Степень снижения напряжений на стадии нагрева зависит от марки материала, достигнутой температуры и обусловлена снижением упругих свойств металла. Именно на этой стадии (I) и стадии выравнивания температур (II) происходит основное снижение напряжений.
- На стадии выдержки (III) напряжения снижаются крайне медленно.
- Изменение напряжений на стадии выдержки подчиняется следующему закону
- о t = о ов /(1 + t /to ) e, (6)
- где сгОВ — начальное напряжение перед стадией выдержки (конечное на стадии нагрева), Н/мм (МПа); t — время выдержки, мин; to = 10 мин.
Величина в для разных сталей и температур находится в пределах 0,08…0,18 (для стали Ст.3 в= 0,160…0,175).
Экспериментально доказано, что после 2-3 ч выдержки процесс снижения напряжений существенно замедляется и дальнейшее увеличение выдержки не дает ощутимых результатов.
Если же требуется получить более низкие остаточные напряжения, то это может быть достигнуто с меньшими затратами средств путем повышения температуры отпуска. Температура отпуска является решающим фактором в достижении необходимого уровня снижения напряжения.
Она должна устанавливаться, в каждом конкретном случае, на основании испытаний на релаксацию в зависимости от марки металла и допустимых остаточных напряжений.
На стадии IV скорость охлаждения назначают в зависимости от толщины обрабатываемого изделия. Чем толще изделие, тем медленнее должно проводиться охлаждение. При этом следует помнить о возможности возникновения отпускной хрупкости, крайне нежелательной.
Так, например, на сталях с высоким содержанием углерода отпускная хрупкость проявляется в максимальной степени при низкой скорости охлаждения (20 оС/ч).
С другой стороны, большие скорости охлаждения (особенно массивных деталей) приводят к возникновению разности температур в поверхностных и глубинных слоях детали, что, в свою очередь, обусловливает образование временных напряжений на этой стадии (стадии охлаждения).
Если при этом временные напряжения окажутся настолько значительными, что в каких — либо объемах детали реализуются пластические деформации, то после полного остывания в ней появятся нежелательные дополнительные остаточные напряжения, снижающие эффект, достигнутый на трех предыдущих стадиях этой термообработки.
Установление уровня допустимых собственных напряжений после отпуска сдоп..ост, является задачей в значительной мере неопределенной. Если, например, иметь в виду недопущение пластических деформаций металла при нагружении конструкции, то в этом случае, очевидно, можно допустимые остаточные напряжения представить как:
Сдоп. ост. СТ Сэкспл. (7)
где сдоп. ост. — максимальные напряжения, возникающие при эксплуатации конструкции, обычно они близки к допускаемым напряжениям, Н/мм (МПа).
Если ориентироваться на недопущение деформаций при механической обработке, то в каждом конкретном случае величина допустимых собственных напряжений будет зависеть от жесткости детали, характера поля собственных напряжений, объема снимаемого металла и допускаемой величины деформации при механической обработке. В этом случае определение сдоп. ост оказывается непростой задачей.
- Остаточные напряжения снижают отпуском в следующих случаях:
- — если к конструкциям машиностроительного типа предъявлены такие требования в отношении точности, которые вследствие наличия остаточных напряжений не могут быть выдержаны при данной форме и жесткости детали на стадии механической обработки или при последующей эксплуатации;
- — если остаточные напряжения могут вызвать образование холодных трещин, а другие методы снижения напряжений оказываются неэффективными;
- — если дальнейшее изготовление конструкции из недостаточно пластичных металлов невозможно вследствие возникающих разрушений по причине суммирования остаточных напряжений на последующих технологических операциях, либо из-за изменения внешних условий, например, понижения температуры;
- — если необходимо уменьшить накопленную потенциальную энергию в сварной конструкции;
- — если в процессе эксплуатации суммирование рабочих и остаточных напряжений приводит к разрушениям или создает условия, при которых вероятность появления разрушения становится значительной. Такие условия могут возникнуть, например, при наличии трехосных растягивающих напряжений;
- — с целью повышения вибрационной прочности за счет уменьшения растягивающих напряжений в опасных зонах конструкции;
- — с целью повышения жесткости и устойчивости отдельных элементов или всей конструкции в целом;
- — с целью повышения коррозионной стойкости, если наличие остаточных напряжений интенсифицирует процессы коррозии или коррозионного растрескивания.
- В некоторых случаях отпуск используют для устранения деформаций
- деталей, возникших при сварке. Однако положительного эффекта можно
достичь только с использованием зажимных приспособлений, т. к. в
- подавляющем большинстве случаев снижение напряжений при нагреве
- происходит почти прямо пропорционально их начальному уровню, благодаря
- чему равновесие собственных (остаточных) напряжений практически не
- нарушается, а, следовательно, начальные перемещения сохраняются
- практически постоянными. Поэтому отпуск без зажимных приспособлений
- не может быть использован для устранения перемещений, возникших при
- сварке. Если же с помощью зажимного приспособления детали придать
- необходимую форму и поместить ее вместе с приспособлением в печь, то в
- 60
процессе отпуска собственные напряжения существенно понизятся, силы реакции между изделием и приспособлением исчезнут, и деталь после извлечения ее из приспособления не возвратится к исходной (искаженной) форме.
Этот прием наиболее эффективен для исправления остаточных перемещений деталей, обладающих незначительной жесткостью.
В противном случае приспособления могут стать слишком громоздкими, поскольку жесткость последних находится в прямой зависимости от жесткости исправляемой детали.
Загрузка...
