Образование сварного соединения при любом способе сварки сопровождается воздействием определенного термодеформационного цикла сварки (ТДЦС) на свариваемый металл, обеспечивающего возможность получения непрерывной межатомной связи между деталями. Характер такого воздействия определяется способом сварки и свойствами свариваемого металла.
Устранение или как минимум уменьшение отрицательного влияния указанных изменений возможно только термической обработкой. Отказ от термической обработки или проведение её по неправильному или неоптимальному режиму приводит к снижению эксплуатационной надежности конструкции и аварийным ситуациям.
Основным назначением термообработки сварных конструкций является повышение их эксплуатационной надежности за счет:
устранения (или уменьшения) химической и физической неоднородности по сечению сварных соединений;
устранения (или уменьшения) хрупких и малопластичных фаз и структур в сварном соединении;
уменьшения (или устранения) остаточных сварочных напряжений, иногда и деформаций;
повышения коррозийной стойкости сварных соединений;
получения оптимальных свойств сварных соединений и основного металла.
Для изготовления сварных конструкций находит применение большое (около 200) количество способов получения неразъемных соединений и сотни марок сталей и сплавов. Наибольшее распространение получили дуговые способы сварки. Термодеформационный цикл сварки приводит к заметному изменению структуры и свойств основного металла и возникновению поля остаточных напряжений.
Учитывая, что по статистике не менее 90 % сварных конструкций по номенклатуре и объемам использования металла приходится на углеродистые и низколегированные стали, кратко рассмотрим характер строения сварного соединения низкоуглеродистой (рис. 8.17) и низколегированной стали.
Сварной шов имеет дендритное строение, для которого характерна дендритная ликвация в первую очередь по таким элементам как фосфор, сера, углерод и химическая неоднородность, связанная с периодичностью процесса кристаллизации. К сварному шву примыкает участок неполного расплавления (зона сплавления), представляющий собой участок частично оплавленных зерен основного металла. Состав металла в этой зоне может отличаться как от основного, так и наплавляемого металла. Далее следует зона термического влияния, строение которой определяется составом основного металла и термодеформационным циклом сварки. Наиболее значительные изменения в ЗТВ протекают в металлах с полиморфным превращением, к числу которых относятся углеродистые и низколегированные стали. У таких металлов в ЗТВ выделяют ряд характерных участков.
|
Рис. 8.17. Схема строения зоны термического влияния сварного соединения
при дуговой сварке углеродистых и низколегированных сталей
На участке перегрева в результате нагрева металла выше 1100 – 1150 ˚С до температуры солидуса происходит значительный рост зерна, с возможным образованием видманштеттовой структуры. На участке нормализации (полной перекристаллизации) металл нагревается несколько выше Ас3 с формированием после охлаждения мелкозернистой структуры с высокими механическими свойствами. На участке неполной перекристаллизации металл нагревался в интервале температур Ас1 – Ас3, поэтому этот участок характеризуется почти неизменившимися первоначальными ферритными и перлитными зернами и более мелкозернистой ферритоперлитной структурой, сформировавшейся в процессе перекристаллизации аустенита.
На участке рекристаллизации, где температура нагрева составляла от 500 ˚С до Ас1, каких-либо значительных изменений в структуре стали не происходит. Если до сварки металл подвергался пластической деформации, то при нагреве в нем могут произойти процессы рекристаллизации. При этом могут несколько снизиться свойства металла вследствие разупрочнения из-за снятия наклепа.
При нагреве металла в интервале 100 – 500 ˚С (участок старения, синеломкости) его структура в процессе сварки не претерпевает видимых изменений. Однако при этом металл может обладать пониженной пластичностью в связи с проявлением деформационного старения и отпускной хрупкости 1-го и 2-го рода.
Основными факторами, определяющими конечную структуру металла в различных участках ЗТВ являются температура нагрева, скорость охлаждения и состав основного металла.
При сварке низколегированных сталей наблюдается более значительное изменение металла шва и зоны термического влияния. При сварке таких сталей на участках нагреваемых выше Ас1 возможно образование закалочных структур, вероятность образования которых возрастает с увеличение степени легирования. При сварке термоупрочненных сталей на участках рекристаллизации и синеломкости происходит разупрочнение стали под действием температур отпуска.
При сварке сталей и сплавов, не испытывающих полиморфных превращений, например, аустенитного и ферритного класса, воздействие деформационного цикла сварки сказывается, в первую очередь, на структуре участка, непосредственно примыкающего к зоне сплавления и нагреваемого выше 1200 – 1250 ˚С. Характерными для этого участка являются рост зерен, растворение карбидов и интерметаллидов, сегрегация примесей на границах зерен. Протекание указанных процессов приводит к образованию горячих трещин, потере коррозионной стойкости, снижению механических свойств. В этом участке при последующей термической обработке или высокотемпературной эксплуатации возможно образование трещин.
При сварке титановых сплавов основные трудности связаны с охрупчиванием сварных соединений вследствие протекания фазовых и структурных превращений и повышенной склонности сплавов к насыщению вредными примесями – кислородом, водородом, азотом и др. Особенности кристаллизации и охлаждения с высокой скоростью при сварке способствуют возникновению метастабильных фаз, определяющих конечные свойства сварных соединений сплавов.
15.4. Особенности термообработки сварных конструкций из различных материалов
Необходимость термической обработки сварной конструкции, выбор вида и режимов определяется назначением термообработки, составом металла, степенью неравновесности структуры и неоднородностью свойств отдельных участков сварного соединения, условиями эксплуатации.
Для термообработки сварных конструкций применяются все основные виды термической обработки: отжиг 1-го рода, отжиг 2-го рода, закалка с полиморфным превращением, закалка без полиморфного превращения, отпуск и старение. Наряду с ними в сварочной практике широко используют такой вид термообработки, как нормализация. Нормализация представляет собой нагрев выше Ас3 с охлаждением на воздухе. При такой обработке в углеродистой стали происходят процессы, которые относятся к отжигу 2-го рода, в легированных сталях может образоваться мартенсит, отвечающий закалке с полиморфным превращением. При назначении термообработки следует иметь в виду, что термообработка является трудоемкой и дорогостоящей операцией и поэтому должна назначаться только в тех случаях, когда установлена её целесообразность.
Применительно к сварным соединениям один и тот же режим термообработки может быть отнесен к разным видам. Например, наиболее распространенная для сварных узлов из низкоуглеродистой стали термообработка с нагревом не выше Ас1 может рассматриваться как отпуск с точки зрения восстановления свойств металла зоны термического влияния или как отжиг 1-го рода по условию гомогенизации шва и снятия наклепа участков ЗТВ или снятия остаточных напряжений.
Строительные конструкции изготавливаются преимущественно из низкоуглеродистых и низколегированных сталей перлитного класса умеренной прочности, обладающих хорошей свариваемостью. В большинстве случаев такие конструкции успешно эксплуатируются в исходном после сварки состоянии. Упрочнение таких сталей термообработкой малоэффективно. Лишь при сочетании ряда неблагоприятных факторов – низкой температуры, большой толщины свариваемых элементов, использовании стали повышенной прочности, наличии резких концентраторов напряжений в сочетании с воздействием вибрационных или ударных нагрузок – возникает необходимость в проведении термической обработки.
При изготовлении крупногабаритных конструкций термообработка часто проводится лишь для отдельных наиболее нагруженных узлов, свариваемых между собой без последующей термообработки.
Особенностями машиностроительных конструкций является широкая номенклатура сталей и сплавов с различными системами упрочнения, разнообразный характер нагрузок, часто требования высокой точности, особенно по сопрягаемым поверхностям, в целом ряде случаев удовлетворительная или ограниченная свариваемость. Поэтому при изготовлении таких конструкций термическая обработка часто является обязательной операцией технологического процесса изготовления. Выбор вида термической обработки диктуется требованиями прочности и точности.
Для сварных узлов химических и нефтехимических установок, работающих в контакте с агрессивными средами основным назначением термообработки является снятие остаточных напряжений, что позволяет повысить стойкость против коррозийного разрушения, снизить опасность хрупких разрушений при воздействии щелочных, нитратных, водородосодержащих сред.
Для конструкций из коррозийно-стойких хромоникелевых сталей аустенитного класса типа 12Х18Н10Т термообработка позволяет предупредить развитие межкристаллитной и, прежде всего, ножевой коррозии.
При термической обработке сварных конструкций, эксплуатируемых при высокой температуре (выше 500 – 600 ˚С) необходимо учитывать её влияние на комплекс свойств жаропрочности в условиях развития процесса ползучести. В условиях ползучести специфические для сварного соединения особенности – неравновесность строения различных зон соединения, неоднородность свойств по их сечению, возможные фазовые и структурные превращения при высокотемпературной эксплуатации могут существенно снижать прочностные характеристики металла и повышать вероятность хрупких разрушений. Термообработка таких конструкций позволяет уменьшить структурную и механическую неоднородность сварных соединений и снять остаточные напряжения.
Обязательной термической обработке при работе в условиях ползучести подлежат сварные узлы из теплоустойчивых и жаропрочных сталей, упрочненных ванадием, титаном, ниобием, дисперсионно-твердеющих сталей и сплавов на никелевой основе. Такое требование обусловлено тем, что при сварке таких металлов в условиях высоких скоростей охлаждения упрочняющие элементы остаются обычно в твердом растворе, а при последующем нагреве в эксплуатации выделяются с образованием дисперсных упрочняющих фаз, что приводит к резкому охрупчиванию металла шва и зоны термического влияния и образованию трещин.
Термообработка сварных конструкций из титановых сплавов проводится с целью снятия остаточных напряжений и обезводораживания сварных соединений для сплавов всех структурных классов, и с целью получения оптимальных свойств – для α + β и β-сплавов.
Для термически неупрочняемых α- и псевдо – α-сплавов единственным видом термообработки, повышающим эксплуатационную надежность сварных соединений является отжиг при температуре выше температуры рекристаллизации – 550 – 650 ˚С. Отжиг снимает остаточные напряжения, снижает концентрацию водорода и других газов, повышая стойкость против задержанного разрушения.
Для термически упрочняемых α + β-сплавов обычно назначают закалку из (α + β)-области с последующим старением. В процессе закалки из твердого раствора выделяются метастабильные фазы α', α'', ω, βм, αм, которые представляют собой твердые растворы β-стабилизирующих элементов в α-Ti. При старении происходит выделение дисперсных α- и β-фаз. Закалка из (α + β)-области связана с необходимостью предупреждения роста зерна.
Термообработку титановых сплавов рекомендуется проводить в среде аргона или (лучше) в вакууме.
Конкретные виды и режимы термической обработки сварных конструкций из металлов различного состава и различных структурных классов будут рассмотрены позднее при изучении технологии изготовления из них сварных изделий.