После сварки отжиг или отпуск

Обновлено: 14.05.2024

Термическая обработка после сварки (PWHT) представляет собой контролируемый процесс, в котором материал, который сваренный повторно нагревается до температуры ниже его более низкой критической температуры превращения, а затем выдерживается при этой температуре в течение определенного времени. [1] Это часто называют любой термической обработкой, выполняемой после сварки; однако внутри нефти, газа, нефтехимический и ядерный отрасли, он имеет особое значение. Отраслевые коды, такие как КАК Я Коды для сосудов под давлением и трубопроводов часто требуют обязательного выполнения PWHT на определенных материалах для обеспечения безопасной конструкции с оптимальными механическими и металлургический характеристики. [2] [3]

Потребность в PWHT в основном связана с остаточными напряжениями и микроструктурными изменениями, которые возникают после завершения сварки. [2] Во время процесса сварки между металлом шва и основным материалом возникает высокий температурный градиент. Когда сварной шов остынет, остаточный стресс сформирован. [2] Для более толстых материалов эти напряжения могут достигать недопустимого уровня и превышать расчетные напряжения. Следовательно, деталь нагревается до заданной температуры в течение заданного времени, чтобы снизить эти напряжения до приемлемого уровня. [1] Помимо остаточных напряжений, микроструктурные изменения происходят из-за высоких температур, вызванных процессом сварки. [1] Эти изменения могут повысить твердость материала и снизить ударную вязкость и пластичность. Использование PWHT может помочь снизить любые повышенные уровни твердости и улучшить ударную вязкость и пластичность до уровней, приемлемых для проектирования. [1]

Требования, предъявляемые к различным сосудам под давлением и нормам трубопроводов, в основном обусловлены химическим составом и толщиной материала. [1] Такие нормы, как ASME Раздел VIII и ASME B31.3, требуют, чтобы указанный материал подвергался термообработке после сварки, если он превышает заданную толщину. [1] Нормы также требуют, чтобы PWHT основывалась исключительно на микроструктурном составе материала. [1] Последнее соображение при принятии решения о необходимости PWHT основывается на предполагаемом обслуживании компонентов, например, на том, что коррозионное растрескивание под напряжением. В таких случаях PWHT обязательна независимо от толщины. [4]

Содержание

Заявление

Скорость нагрева, время выдержки и температуры, а также скорость охлаждения - все это важные переменные, которые необходимо точно контролировать и контролировать, иначе желаемые эффекты могут не быть достигнуты. [3] Когда PWHT является обязательным согласно отраслевому кодексу, требования к этим переменным будут указаны. [3] [4] [5]

Обогрев

Скорость нагрева при проведении PWHT обычно зависит от толщины компонента и определяется регулирующими нормами. [1] [6] Если скорость нагрева не выполняется должным образом из-за слишком быстрого или неравномерного нагрева, температурные градиенты внутри компонента может нанести вред компоненту. В результате при охлаждении компонента до температуры окружающей среды могут возникать трещины под напряжением и возникать ранее не возникшие остаточные напряжения. [4]

Температура и время выдержки

Температура и время выдержки зависят от материала и толщины соответственно. [4] [6] Что касается толщины материала, для более толстых материалов требуется более длительное время выдержки. [4] Это позволяет материалу достичь стабильного состояния, при котором распределение и уровни напряжений становятся более однородными и уменьшаются. [2] [6] Указанная температура выдержки - это температура, достаточно высокая для снятия высоких уровней остаточного напряжения, но все же ниже более низкой температуры превращения. [1] [2] В дополнение к уменьшению напряжения высокие температуры выдержки ниже температуры превращения допускают микроструктурные преобразования, в результате чего снижается твердость и улучшается пластичность. [6] Следует проявлять особую осторожность, чтобы не нагревать компонент выше более низкой температуры превращения, поскольку это может привести к пагубным металлургическим последствиям и ухудшению механических свойств. [6] Кроме того, температура выдержки не должна превышать исходную температуру отпуска, если только не будут выполнены механические испытания. Выдержка выше исходной температуры отпуска может снизить прочность материала ниже КАК Я требуемые минимумы. [4]

Охлаждение

Как и в случае скорости нагрева, скорость охлаждения необходимо контролировать, чтобы избежать любых вредных температурных градиентов, которые могут вызвать растрескивание или создать новые напряжения во время охлаждения. [4] В дополнение к этому, высокие скорости охлаждения могут увеличить твердость, что может увеличить восприимчивость к хрупкому разрушению. [7] .

Техника мониторинга

Термопары обычно прикрепляются к компоненту, подвергающемуся PWHT, чтобы проверить и убедиться, что скорости нагрева, температуры выдержки и скорости охлаждения соответствуют техническим требованиям. Компьютерное программное обеспечение обычно используется вместе с термопарами для контроля вышеупомянутых переменных и предоставления документации о том, что PWHT была проведена должным образом. [5]

1) Полный отжиг. Выполняется путем нагревания стального изделия до температуры 820 - 930єС, выдерживая при этом и последующим охлаждением. Полный отжиг обеспечивает:

а) получение мелкозернистое строение металла шва, что повышает пластичность наплавленного металла и металла переходной зоны. При этом благодаря улучшению сцеплению зерен между собой повышается вязкость металла;

б) понижение твердости металла шва, что облегчает последующую обработку резанием и давлением;

в) уничтожение внутренних напряжений в сварном изделии; 2) Нормализация. Отличается от полного отжига большей скоростью охлаждения. Повышенная скорость охлаждения в первые моменты после нагрева позволяет получать мелкозернистое строение металла. С этой целью сварное изделие после нагрева до температуры на 20 - 30єС выше критической и выдержки, вынимают из печи и охлаждают на воздухе .3) Отжиг для снятия напряжений. Операция довольно сложная. При полном отжиге и нормализации внутреннее напряжение уничтожается, так как, для этого достаточно нагреть изделие до температуры 600 - 650єС, и последующее охлаждение с печью.

4) Отпуск. Изделие нагревается до более низкой температуры. Сварочные напряжения частично остаются в изделии, хотя их пик значительно снижается. При нагреве стального изделия 400 - 500єС снимается 50% напряжения, 200 - 300єС - 10-20% напряжения.

Виды термических технологических операций, выполняемых после сварки. Улучшение структуры и свойств металла сварных соединений.

После сварки в ряде случаев требуется термообработка. Отпуск металла после сварки более эффективен и позволяет снизить величину остаточных напряжений и деформаций на 85 — 90%. Кроме того, отпуск способствует улучшению пластических свойств сварочного шва. Отпуск может быть общим и местным.

Структура сварных соединений.

Процесс кристаллизации шва происходит только в том случае, если скорость сварки и средняя скорость кристаллизации равны. Кристаллизация начинается в тот момент, когда сварная дуга прошла над участком сварки и покинула его. Расплавленный металл застывает в противоположном процессу сварки направлении – то есть, к центру сварочного бассейна, начинаясь у его краёв. Частицы расплавленного и основного металла появляются на краях расплавленного участка – это укрепляет сварной шов.

Первый процесс кристаллизации протекает быстро, так как металл очень быстро остывает – для остановки процесса кристаллизации металлу достаточно остыть всего на 20-30 градусов – то есть, его температура должна быть между 1480 и 1510 градусов.

Завершённая кристаллизация не запускает в металле никаких процессов вплоть до охлаждения его до 850 градусов, т.е. выхода металла из аустенитной формы. Структура сварных соединений при этом становится постоянной после охлаждения металла до 720 градусов.

Многослойные швы в основном имеют мелкозернистую структуру, частицы металла в них равномерно распределены по всему объёму сварного соединения. Зона термического влияния при сварке это металл, который примыкает непосредственно к сварному шву, но не задевается сварщиком в процессе сварки. Она делится на несколько участков:

1) Участок зоны сплавления – в этом месте происходит непосредственно процесс плавки. Качество сварного шва зачастую напрямую зависит от свойств этой зоны. В этой зоне находится наплавленный металл и металл с участка неполного расплавления.

2) Участок перегрева – нагретый в диапазоне 1100-1400 градусов участок металла. Если нагретая сталь содержит большое количество углерода, то она станет непластичной и вязкой.

3) Участок перекристаллизации – этот участок в процессе охлаждения образует мелкозернистую структуру, это повышает качество и свойства сварного шва.

4) Участок неполной перекристаллизации – в структуре металла на этом участке появляется некоторое количество новых зёрен.

5) Участок старения – процесс увеличения прочности и снижения пластичности всего сварного шва зависит от этого участка.

6) Участок синеломкости – тут не происходит практически никаких изменений, но при сварке определённых металлов этот участок может повышать прочность сварного соединения.

Расплавление занимает от долей секунды до минут – это зависит от мощности нагревания, толщины расплава и скорости движения сварной дуги.

Свойства сварного шва определяются непосредственно размерами околошовной зоны сварки. Чем меньше эта зона, тем надёжнее и качественнее получилось сварное соединение. Наименьшая зона получается при сварке электроннолучевой и механической, наибольшая – при газосварке и электросварке. Также условное деление получил и тип источника сварки – электрический, химический или механический. Выполнение сварного шва лучше проводить короткими участками – в результате сварные соединения получатся более качественными и прочными.

Отжиг второго рода приводит к значимым фазовым изменениям сплава. Он также имеет несколько разновидностей: Полный отжиг – нагрев сплава на 30-50 выше критической температурной отметки, характерной для данного вещества и охлаждения с указанной скоростью (200 /час – углеродистые стали, 100 /час и 50 /час – низколегированные и высоколегированные стали соответственно). Неполный – нагрев до критической точки и медленное охлаждение. Диффузионный – температура отжига 1100-1200. Изотермический – нагрев происходит так же, как при полном отжиге, однако после этого проводят быстрое охлаждение до температуры несколько ниже критической и оставляют остывать на воздухе. Нормализованный – полный отжиг с последующим остыванием металла на воздухе, а не в печи.

Закалка – это манипуляция со сплавом, целью которой является достижение мартенситного превращения металл, обеспечивающее понижение пластичности изделия и повышение его прочности. Закалка, равно как и отжиг, предполагает нагрев металла в печи выше критической температуры до температуры закалки, отличие состоит в большей скорости охлаждения, которое происходит в ванне с жидкостью. В зависимости от металла и даже его формы применяют разные виды закалки: Закалка в одной среде, то есть в одной ванне с жидкостью (вода – для крупных деталей, масло – для мелких деталей). Прерывистая закалка – охлаждение проходит два последовательных этапа: сперва в жидкости (более резком охладителе) до температуры приблизительно 300 , затем на воздухе либо в другой ванне с маслом. Ступенчатая – по достижению изделием температуры закалки, его охлаждают какое-то время в расплавленных солях с последующим охлаждением на воздухе. Изотермическая – по технологии очень похожа на ступенчатую закалку, отличается только временем выдержки изделия при температуре мартенситного превращения. Закалка с самоотпуском отличается от других видов тем, что нагретый метал охлаждают не полностью, оставив в середине детали тёплый участок. В результате такой манипуляции изделие приобретает свойства повышенной прочности на поверхности и высокой вязкости в середине. Такое сочетание крайне необходимо для ударных инструментов (молотки, зубила и др.)

Отпуск– это завершающий этап термической обработки сплавов, определяющий конечную структуру металла. Основная цель отпуска является снижение хрупкости металлического изделия. Принцип заключается в нагреве детали до температуры ниже критической и охлаждении. Поскольку режимы термической обработки и скорость охлаждения металлических изделий различного назначения могут отличаться, то выделяют три вида отпуска: Высокий - температура нагрева от 350-600 до значения ниже критической. Данная процедура чаще всего используется для металлических конструкций. Средний – термообработка при t 350-500, распространена для пружинных изделий и рессор. Низкий - температура нагрева изделия не выше 250 позволяет достичь высокой прочности и износостойкости деталей.

Старение– это термическая обработка сплавов, обуславливающая процессы распада пересыщенного металла после закалки. Результатом старения является увеличение пределов твёрдости, текучести и прочности готового изделия. Старению подвергаются не только чугун, но и цветные металлы, в том числе и легко деформируемые алюминиевые сплавы. Если металлическое изделие, подвергнутое закалке выдержать при нормальной температуре, в нём происходят процессы, приводящие к самопроизвольному увеличению прочности и уменьшению пластичности. Это называется естественное старение металла. Если эту же манипуляцию проделать в условиях повышенной температуры, она будет называться искусственным старением.

Криогенная обработка Изменения структуры сплавов, а значит, и их свойств можно добиться не только высокими, но и крайне низкими температурами. Термическая обработка сплавов при t ниже нуля получила название криогенной. Данная технология широко используется в самых разных отраслях народного хозяйства в качестве дополнения к термообработкам с высокими температурами, поскольку позволяет существенно снизить расходы на процессы термического упрочнение изделий. Криогенная обработка сплавов проводится при t -196 в специальном криогенном процессоре. Данная технология позволяет существенно увеличить срок службы обработанной детали и антикоррозионные свойства, а также исключить необходимость повторных обработок.

термомеханическая обработка Новый метод обработки сплавов сочетает в себе обработку металлов при высоких температурах с механической деформацией изделий, находящихся в пластичном состоянии. Термомеханическая обработка (ТМО) по способу совершения может быть трёх видов: Низкотемпературная ТМО состоит из двух этапов: пластической деформации с последующим закалкой и отпуском детали. Главное отличие от других видов ТМО – температура нагрева до аустенитного состояния сплава. Высокотемпературная ТМО подразумевает нагрев сплава до мартенситного состояния в сочетании с пластической деформацией. Предварительная – деформация производится при t 20 с последующей закалкой и отпуском металла.

Химико-термическая обработка Изменить структуру и свойства сплавов возможно и с помощью химико-термической обработки, которая сочетает в себе термическое и химическое воздействие на металлы. Конечной целью данной процедуры помимо придания повышенной прочности, твёрдости, износостойкости изделия является и придание детали кислотоустойчивости и огнестойкости. К данной группе относятся следующие виды термообработки: Цементация проводится для придания поверхности изделия дополнительной прочности. Суть процедуры заключается в насыщении металла углеродом. Цементация может быть выполнена двумя способами: твёрдая и газовая цементация. В первом случае обрабатываемый материал вместе с углём и его активатором помещают в печь и нагревают до определённой температуры с последующей выдержкой его в данной среде и охлаждением. В случае с газовой цементацией изделие нагревается в печи до 900 под непрерывной струёй углеродосодержащего газа. Азотирование – это химико-термическая обработка металлических изделий путём насыщения их поверхности в азотных средах. Результатом данной процедуры становится повышение предела прочности детали и увеличение его коррозионной устойчивости. Цианирование – насыщение металла одновременно и азотом и углеродом. Среда может быть жидкой (расплавленные углерод- и азотсодержащие соли) и газообразной. Диффузионная металлизация представляет собой современный метод придания металлическим изделиям жаростойкости, кислотоустойчивости и износостойкости. Поверхность таких сплавов насыщают различными металлами (алюминий, хром) и металлоидами (кремний, бор). –

Термообработка цветных сплавов Цветные металлы и сплавы обладают отличными друг от друга свойствами, поэтому обрабатываются разными методами. Так, медные сплавы для выравнивания химического состава подвергаются рекристаллизационному отжигу. Для латуни предусмотрена технология низкотемпературного отжига (200-300 ), поскольку этот сплав склонен при влажной среде к самопроизвольному растрескиванию. Бронза подвергается гомогенизации и отжигу при t до 550 . Магний отжигают, закаляют и подвергают искусственному старению (естественное старение для закалённого магния не происходит). Алюминий, равно как и магний, подвергается трём методам термообработки: отжигу, закалке и старению, после которых деформируемые алюминиевые сплавы значительно повышают свою прочность. Обработка титановых сплавов включает: рекристаллизационный отжиг, закалку, старение, азотирование и цементацию.

Для создания крупных магистральных трубопроводов используют коллекторы с большим внутренним диаметром. Это применяется в теплосетях и системах водоснабжения. Из-за большого веса проходящей жидкости возрастает и давление на стенки коммуникации. Поэтому последние выполняются из материалов достаточной толщины, чтобы выдерживать большие нагрузки. Но это создает новую проблему — сложно качественно сварить стороны с такой толщиной, обеспечив длительную последующую эксплуатацию. При такой массе изделия прогрев достигает сравнительно небольшой зоны, что приводит к ряду физических процессов, неблагоприятно сказывающихся на дальнейшем использовании материала. Для решения этой проблемы разработана и применяется термообработка сварных соединений. Что это такое? В каких случаях необходима термообработка после сварки? Каким оборудованием и как выполняется процесс?

Суть и предназначение процесса

Сварочный шов создается электрической дугой и присадочным материалом с электрода при температуре от 1500 до 5000 градусов. Это приводит к нескольким негативным явлениям на толстом металле. А именно:

Непосредственно в месте соединения основного и присадочного материалов происходит значительный перегрев. Это содействует кристаллизации металла с крупной зернистой структурой, что снижает его пластичность. Выгорание марганца и кремния тоже подвергает эту область преобразованию в жесткий участок, плохо взаимодействующий, при естественных расширениях, со всей конструкцией.
Немного дальше от шва образуется зона закалки. Она испытывает значительный, но меньший перегрев, чем предыдущий участок, поэтому в ней происходит закаливание некоторых элементов. Этот участок характеризуется включениями с высокой твердостью и сниженной пластичностью. Ухудшаются показатели металла и по ударной вязкости.
На удаленном расстоянии от шва появляется зона разупрочнения. Благодаря непродолжительному воздействию умеренной температуры от электрической дуги, данный участок сохраняет высокую пластичность, но снижаются характеристики по прочности.

Общим дефектом после сварки являются остаточные напряжения в металле, которые способны деформировать изделие. Из-за этого возникают трудности при монтаже объемных конструкций, где требуется точность при стыковке новых узлов. Остаточное напряжение вызывает и последующее образование трещин, что недопустимо для швов трубопроводов. В сочетании с высокой температурой, это способствует снижению коррозионной устойчивости, циклической прочности, и способности сопротивляться хрупким разрушениям в условиях холода.

Термообработка сварных швов выполняется при температуре от 700 до 1000 градусов. Это позволяет устранить последствия неравномерного прогрева при дуговой сварке на толстых металлах, чем повышает надежность будущих коллекторов и магистралей трубопроводов. Труба и наложенный шов приобретают более похожую структуру, и лучше взаимодействуют во время естественных физических процессов (расширения и сужения материалов, воздействия влаги и т.д.).

Термообработка сварных соединений трубопроводов происходит в три этапа:

нагрев околошовной зоны или всего изделия одним из нескольких видов оборудование;
выдержка материала на заданной температуре в течении определенного времени;
последующее планомерное охлаждение до нормальных температур.

Это нейтрализует остаточные явления от сварки, выравнивая структуру металла, и снимая напряжение в металле, способствующее деформации. Процесс может выполняться несколькими способами, а технология разнится в зависимости от типа и толщины металла. Не все сварные соединения необходимо подвергать термообработке, но в некоторых случаях она является обязательной.

Что и когда подвергается термической обработке

Нейтрализации остаточных явлений от электродуговой сварки необходимо подвергать все трубопроводы диаметром от 108 мм, имеющими стенку 10 мм и более. Для этого используют индукционный нагрев изделия током с частотой 50 Гц. Термообработка способна воздействовать на металл трубы со стенкой 45-60 мм, для чего применяют гибкие электронагревательные проволоки или муфельные печи. Если толщина стенки конструкции не более 25 мм, то можно использовать газопламенный способ нагрева. Во всех случаях важен фактор равномерности распределения температуры во все стороны от сварочного соединения.

Стыки, выполненные с применением труб из стали 12 XIM Ф и ее разновидности 15 XIMI Ф, имеющие толщину стенки магистрали 45 мм должны подвергаться термической обработке сразу после окончания сварочных работ. Охлаждение материала не должно допускаться до температуры 300 градусов. Стыки из аналогичных сталей на трубах с диаметром 600 мм, при стенке 25 мм, обрабатываются в этот же временной период. В случае невозможности выполнить процесс, соединение необходимо укрыть слоем теплоизоляции 15 мм, а при первой же возможности произвести обработку. Максимальный срок на проведение этих работ составляет трое суток.

Термообработке необходимо подвергать не только кольцевые швы на трубопроводе, но и вваренные отводы, краны, заглушки. Крепление под участок трубы, которое присоединялось посредством сварки, тоже необходимо обработать нагревом.

Режимы процесса

Разные виды стали подвергаются термообработке в конкретный временной промежуток. Влияет на режим и толщина стенки изделия. На хромомолибденовых сталях и их сплавах с ванадием применяется нагрев индукционным способом, с частотой тока в 50 Гц и выше, или радиационным методом по следующим показателям:

Толщина стенки, мм	Радиационный способ, минуты	Индукционный способ, минуты
До 20	40	25
21-25	70	40
26-30	100	40
31-35	120	60
36-45	140	70
46-60	160	90
61-80	160	110
81-100	160	140

Виды оборудования

Термообработка выполняется несколькими видами средств, выбор которых зависит от толщины свариваемых труб и местной доступности оборудования. Выделяются три основные способа нагрева околошовной зоны.

Индукционный

На рабочем месте устанавливается аппарат, вырабатывающий переменное высокочастотное напряжение. К нему подсоединяется нагревательный элемент, которым служит гибкий провод. Последний наматывают на сварочное соединение, предварительно укутанное асбестом для теплоизоляции. Эту технологию можно применять независимо от положения трубы в пространстве (вертикального или горизонтального).

Намотку провода производят вплотную к изолятору, а между витками оставляют зазор в 25 мм. Таким образом должно быть покрыто по 250 мм участка трубы с каждой стороны шва. После правильного наложения витков аппарат включается на время, предназначенное для конкретной толщины стенки трубопровода. Напряжение, проходя через витки провода, создает индукцию и разогревает изделие. Похожим способом выполняется и накладка цельных поясов, содержащих внутри себя ряд проводов, которые сразу покрывают нужную ширину трубы.

Радиационный

Вторым распространенным способом термической обработки сварных соединений является радиационный метод. Здесь тепловой эффект исходит от специальных нихромовых проводов, по которым идет напряжение, и околошовную зону греет непосредственно тепло от провода, а не индукция тока, как в первом способе. Тэн укладывают на основу из теплоизоляции.

Газопламенный

Самым дешевым способом выполнить термическую обработку сварного шва является пламя от горения смеси ацетилена и кислорода. Это подходит для труб с диаметром не более100 мм. На горелку устанавливается мундштук с крупным отверстием. Для равномерности подачи тепла от пламени на сопло одевается асбестовая воронка, распределяющая пламя по ширине в 250 мм. Правильный нагрев производится одновременно двумя горелками, работающими с каждой стороны.

Виды термообработки

Тепловое воздействие на сварочное соединение и прилегающую зону может выполняться по разной технологии для достижения определенных целей. Вот основные процессы и их влияние на изделие:

Термический отдых. Трубопровод подвергают нагреву до 300 градусов с удержание этой температуры до 120 минут. Это действие способствует снижению содержания водорода в шве, и частичному снятию остаточного напряжения. Метод применяется на особо толстостенных изделиях, где невозможно выполнить другие техники термообработки.
Высокий отпуск. Трубу и сварной шов нагревают до температуры 600-700 градусов. Выдержка происходит в течении 1-3 часов в зависимости от толщины стенки. Вследствие чего остаточное напряжение снижается до 90%. В низколегированных сталях разрушается закалочная структура, а карбиды становятся крупнее. Это приводит к повышению пластичности и ударной вязкости. Чаще всего этот вид термообработки применяют на сталях перлитного класса.
Нормализация. Шов и трубу нагревают до 800 градусов, но на короткое время (выдержка от 20 до 40 минут). Это частично убирает напряжение в металле, но главным образом придает однородность и мелкозернистую структуру, что улучшает механические свойства. Такая технология используется на тонкостенных трубах небольшого диаметра.
Аустенизация. Разогрев материала до 1100 градусов с длительным удержанием температуры (около двух часов) и последующим остыванием на воздухе. Реализуется на высоколегированных сталях для снижения остаточного напряжения и повышения пластичности.
Стабилизирующий отжиг. Трубопровод с наложенным швом разогревают до 970 градусов с выдержкой до 180 минут. Охлаждение выполняется естественным образом на воздухе. Метод предупреждает возникновение межкристаллической коррозии на высоколегированных сталях.

Применение термообработки на трубопроводах из различных металлов значительно продлевает их срок эксплуатации. Для успешного использования метода важно правильно подбирать температуру, время выдержки и способ нагрева.

При сварке структура металла шва и прилегающей зоны под действием высокой температуры изменяется. Это может привести к преждевременному разрушению деталей. Для устранения негативных последствий сильного нагрева после наложения швов выполняют термообработку сварных соединений.

Для чего нужна термообработка

При сварке в зоне нагрева происходят негативные изменения кристаллической решетки и свойств металла:

Из-за перегрева в месте горения дуги структура становится крупнозернистой, что приводит к снижению пластичности. Процесс сопровождается выгоранием марганца и кремния, что также способствует преобразованию структуры. После остывания шов становится жестким, склонным к образованию трещин при изменении нагрузки во время эксплуатации. Например, к сварным соединениям технологических трубопроводов прилагаются дополнительные воздействия, возникающие при температурном расширении/сжатии.
В зоне возле сварного соединения металл нагревается до температуры достаточной для закалки. Поэтому происходит снижение пластичности и стойкости к ударным нагрузкам.
На более удаленных участках с умеренным нагревом происходит разупрочнение металла, но пластичность остается на прежнем уровне.
Из-за неравномерности нагрева происходит образование внутренних напряжений, приводящих к деформации деталей с образованием трещин.

После проведения термообработки сварных швов и прилегающих участков восстанавливается структура и характеристики металла по прочности, пластичности, коррозионной стойкости. Термическую обработку сварных соединений для снятия напряжений в обязательном порядке выполняют при монтаже объемных конструкций из тонкостенного металла.

Термообработка защищает сварной шов от коррозии и улучшает механические свойства.

Особенности проведения

Термообработку выполняют поэтапно:

нагревают только шов или вместе с участками возле него;
поддерживают температуру в течение определенного времени;
планомерно охлаждают до температуры окружающей среды.

В зависимости от решаемых задач термообработку после сварки выполняют при температуре от 600 до 1100⁰C. Разработано несколько методов обработки с разными графиками нагревания, временем выдерживания, охлаждения. Способ и оборудование выбирают в зависимости от марки металла, толщины и конфигурации деталей.

Термообработке должны подвергаться сварные швы трубопроводов большой протяженности, соединения на грузоподъемных механизмах, сосуды и емкости, работающие под давлением. Процедуру нельзя откладывать на срок больше трех суток. Для повышения стойкости к коррозии термообработку проводят сразу после завершения сварки.

Из достоинств отмечают:

увеличение надежности и долговечности сварных соединений;
возможность улучшения нужных параметров.

К недостаткам термообработки относят:

Невозможность исправления брака при нарушении технологии термообработки. Соединение придется заново переваривать.
Большую цену и габариты оборудования.
Для выполнения термообработки нужен квалифицированный персонал.
Повышенный расход энергоресурсов.

Продолжительность процесса

Длительность термической обработки сварных соединений зависит от вида и толщины металла. Хромомолибденовые марки стали и ее сплавы с включением ванадия нагревают радиационным или индукционным способом. Длительность процесса определяют по таблице:

Толщина, см	Радиационный, минуты	Индукционный, минуты
До 2.0	40	25
2.1 — 2.5	70	40
2.6 — 3.0	100	40
3.1 — 3.5	120	60
3.6 — 4.5	140	70
4.6 — 6.0	160	90
6.1 — 8.0	160	110
8.1 — 10	1600	140

Перед нагревом сварной шов очищают от шлака. Индукционным способом процедура выполняется быстрее, но расход электроэнергии больше.

Важно!

Длительность термической обработки сварных соединений зависит от вида и толщины металла.

Применяемое оборудование

Для термической обработки сварных швов применяют следующие виды оборудования:

Индукционное. Принцип работы основан на нагреве металла вихревыми токами, создаваемыми индукционной катушкой (индуктором), подключенной к высокочастотному генератору. Нагреваемый участок предварительно накрывают асбестом. Поверх него гибким проводом наматывают витки катушки с шагом 2,5 см на расстоянии 25 см по обе стороны от стыка. В качестве индуктора также используют накладки с расположенными внутри проводами. Технология обеспечивает быстрый, равномерный нагрев участка соединения независимо от положения деталей.
Радиационное. Нагрев осуществляется теплом от проводов из нихрома, по которым проходит электроток. Гибкие нагревательные элементы удобны для обработки соединений сложной формы. Радиационное оборудование эффективней индукционного при работе с металлами с низкими электромагнитными характеристиками.
Газовое выгодно для применения, так как не нуждается в электроэнергии. Однако на нагрев уходит много времени. Поэтому оборудование используют на небольших конструкциях. Для обеспечения равномерного прогрева соединения работу выполняют двумя многопламенными ацетиленовыми горелками одновременно с обеих сторон.
Для работы с деталями небольшого размера применяют муфельные печи. Их также используют на трубопроводах малого диаметра.

Виды термической обработки

Способ термообработки сварного шва выбирают в зависимости от поставленной цели:

После термического отдыха уменьшается остаточное напряжение и количество водорода внутри шва. Процесс проводят при температуре до 300⁰C с выдержкой в течение 1,5 — 2 часов. Этим способом обрабатывают сварные соединения на толстостенных конструкциях, когда нет возможности применить другие виды.
Отпуском за счет разрушения закалочных структур добиваются уменьшения напряжения на 90%, увеличения пластичности и стойкости к ударным нагрузкам. Нагрев до 600 — 700⁰C, выдержка до 3 часов. Метод применяют на перлитных сталях.
Нормализацию выполняют при 800⁰C с выдержкой 20 — 40 минут на тонкостенных деталях. После завершения процесса структура становится мелкозернистой и однородной.
Аустенизацию проводят на высоколегированных видах стали для снятия напряжений и восстановления пластичности. Нагрев до 1100⁰C, двухчасовая выдержка с последующим естественным охлаждением.
Для отжига после сварки термообработку выполнят при 970⁰C с выдержкой в течение 3 часов и остыванием в естественных условиях. Используют при работе с высоколегированными сталями для улучшения стойкости к коррозии.

Температуру контролируют по изменению цвета меток, нанесенных на поверхность деталей термокарандашом или термокраской. Однако точность измерения этим способом невысока, поэтому чаще пользуются пирометрами и тепловизорами. Они могут быть ручными или встроенными в системы автоматического поддержания температуры на заданном уровне.

Если к качеству сварных соединений предъявляются высокие требования, выполнение термообработки обязательно. После ее проведения на швах не появятся трещины, разломы, коррозия. При использовании современного оборудования термообработка не займет много времени.

Читайте также: