Цель и виды термических технологических операций, выполняемых после сварки
Термообработка, как правило, назначается, когда сварочные деформации отсутствуют, но в металле сварных соединений после их выполнения возникают остаточные напряжения, которые могут способствовать образованию холодных трещин и стать причиной разрушения сварных изделий при их эксплуатации. Термообработка в данном случае используется для устранения или снижения сварочных остаточных напряжений. Термообработка, как технологическая операция, может назначаться также для улучшения структуры и свойств металла сварных соединений.
Термообработка, в зависимости от размеров и сложности сварных конструкций, может выполняться сразу всего изделия, либо отдельных его узлов или только сварных соединений и прилегающего к ним металла.
Термические методы устранения сварочных напряжений
Термообработка является наиболее эффективным и распространенным методом устранения остаточных сварочных напряжений (иногда и деформаций). Она характеризуется высокой универсальностью, применяется при изготовлении любых конструкций из любых материалов.
Сущность метода заключается в том, что при нагреве предел текучести металла снижается и упругие деформации переходят в пластические. Пластическая деформация в напряженном металле происходит в результате протекания в основном сдвиговых и частично диффузионных процессов. Сдвиговая деформация происходит практически мгновенно, причем, чем выше температура нагрева, тем ниже критическая величина напряжения сдвига и тем полнее процесс снятия напряжений. Диффузионные процессы также ускоряются с ростом температуры, но требуют большей продолжительности нагрева.
Термообработка относится к дорогостоящим технологическим процессам. Поэтому на практике стараются назначать такие режимы, которые приводили бы к существенному снижению остаточных напряжений при непродолжительной выдержке. Продолжительность выдержки определяется временем, необходимым для выравнивания температуры по сечению деталей. Характер изменения напряжений в низколегированной стали при повышении температуры показан на рис. 8.16. Очевидно, что, если напряжения до термообработки превышали значения, соответствующие указанной диаграмме s-έ для данной температуры, они будут снижаться до указанного на диаграмме уровня. Наиболее интенсивное снижение напряжений происходит в процессе нагрева за счет снижения упругих свойств металла.
Уровень остаточных напряжений неравномерен по сечению сварных соединений. Поэтому в процессе нагрева снижение их происходит с различной скоростью сдвиговых деформаций, которая определяется свойствами металла в различных участках сварного соединения.
При выборе параметров режима термообработки исходят из того, что остаточные напряжения в значительной мере снижаются при нагреве несколько выше температуры рекристаллизации.
Для углеродистых сталей достаточен нагрев до 550 – 650 ˚С, для низколегированных сталей 650 – 800 ˚С, для алюминиевых сплавов 250 – 350 ˚С, для титановых сплавов 600 - 650 ˚С, для жаропрочных сталей 750 – 900 ˚С, что отвечает режимам высокого отпуска или отжига первого рода. Время выдержки обычно составляет 1 – 2,0 часа. Выбор температуры проводят, ориентируясь на необходимый уровень снижения остаточных напряжений и на возможное изменение
Рис. 8.16. Диаграмма s-έ для
низколегированной стали при
различной температуре испытаний
структуры и свойств, которые возникают при термообработке.
Скорость нагрева и особенно охлаждения должны быть небольшими, чтобы не возникли новые термические напряжения в связи с градиентом температур по сечению материала. Для термически упрочняемых сталей и сплавов термообработку с целью снижения сварочных напряжений обычно совмещают с упрочняющей термообработкой, предусматривающей структурные и фазовые превращения в металле.
Полное снятие остаточных сварочных напряжений в конструкционных и строительных сталях возможно лишь при нагреве выше Ас3 с последующим очень медленным охлаждением.
Термообработка химически активных металлов (титановые сплавы, тугоплавкие металлы) должна проводиться либо в вакууме, либо в инертной среде (аргон, гелий) для предупреждения взаимодействия металла с газами.
В зависимости от конструктивных особенностей изделий, требований к свойствам сварных соединений назначают либо общий, либо местный нагрев. При местном нагреве происходит нагрев лишь части сварной конструкции – как правило, шва и зоны термического влияния. При этом не происходит полного снятия остаточных напряжений, а происходит лишь их перераспределение, что связано с неравномерностью нагрева и охлаждения. Местный нагрев в большинстве случаев проводят не столько с целью снятия остаточных напряжений, сколько с целью снижения вероятности хрупких разрушений в эксплуатации.
Устранение деформаций сварных конструкций возможно лишь при общем нагреве с закреплением изделий в жестких приспособлениях. Приспособления должны иметь высокую точность изготовлении. Материал приспособлений должен иметь высокий предел текучести, высокую релаксационную стойкость в том интервале температур, в котором проводится нагрев изделия и низкий коэффициент линейного расширения.