Структуру металла шва и околошовной зоны можно улучшить отпуском при температуре

Опубликовано: 17.09.2024

Зона термического влияния является обязательным спутником сварного шва при всех способах сварки плавлением и давлением, кроме холодной сварки. Эта зона охватывает основной металл, не расплавляющийся в процессе сварки и сохраняющий неизменным свой химический состав, но изменивший свою структуру и механические свойства вследствие нагрева и охлаждения (термообработки) в процессе сварки.

Прочность сварного соединения и его эксплуатационные свойства во многом зависят от структурных изменений, которые происходят в ЗТВ. Строение и размеры ЗТВ зависят от химического состава и теплофизических свойств свариваемого металла, мощности источника теплоты, степени его концентрированности, скорости движения и других факторов. Ширина ЗТВ меняется от 1…3 мм при ручной дуговой сварке до 20 мм и более при электрошлаковой сварке.

Термический цикл любой точки металла сварного соединения характеризуется максимальной температурой нагрева, длительностью нагрева до определенной температуры и скоростью охлаждения. Для ЗТВ характерно неравномерное распределение максимальных температур нагрева (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Термический цикл при сварке плавлением: 1, 2, 3, 4 – точки, в которых измерялась температура

Результат теплового воздействия на металл в ЗТВ зависит от его отношения к термообработке. В зависимости от способа и погонной энергии сварки возможны два предельных случая:

1) закалка – при быстром охлаждении – с образованием твердых и хрупких структур и возникающих при этом значительных по величине напряжений;

2) перегрев – при медленном охлаждении, – характеризующийся чрезмерным ростом зерна и снижением пластических и вязких свойств металла.

Оценить общий характер возможных превращений, протекающих в ЗТВ при сварке низкоуглеродистых сталей, можно по диаграмме железо–цементит, а при различных скоростях охлаждения – по термокинети- ческим диаграммам распада аустенита, которые построены для большинства марок углеродистых и легированных сталей. Скорость охлаждения обычно оценивается в интервале температур наименьшей устойчивости аустенита (500…550 °С). При малых скоростях охлаждения, соответствующих электрошлаковой и ванной сварке, превращение аустенита приводит к формированию структуры, состоящей из феррита и перлита. При средних скоростях охлаждения (автоматическая сварка под флюсом) в зависимости от марки стали образуются перлит и бейнит или бейнит и мартенсит с небольшим количеством феррита. При скорости охлаждения выше критической образуется только мартенсит. Мартенситное превращение сопровождается увеличением объема стали и возникновением больших напряжений, которые могут вызвать разрушение металла. В подобных случаях приходится принимать специальные меры к улучшению структуры металла ЗТВ и предотвращению образования мартенсита. Эти меры сводятся к изменению теплового режима в процессе сварки, выбору рациональной формы разделки кромок под сварку и последующей термообработке.

На рис. 1.5 показана схема структур, образующихся в зоне термического влияния при сварке стыкового соединения из малоуглеродистой стали за один проход.

Рис. 1.5. Строение ЗТВ при сварке низкоуглеродистой стали

Над сечением шва показана кривая температур, а рядом – часть диаграммы железо–цементит в том же масштабе. В зависимости от температуры нагрева в ЗТВ различают следующие участки:

перегрева;
нормализации;
неполной перекристаллизации;
рекристаллизации.

Участок перегрева. Он включает металл, нагретый до температур выше 1100 °С, т. е. несколько ниже температуры плавления. Металл на этом участке в процессе нагрева претерпевает аллотропические превращения ( α - железа в γ - железо), сопровождающиеся ростом аустенитного зерна. В тех случаях, когда перегрев сочетается с последующим быстрым охлаждением (закалка), металл на этом участке после сварки облада- ет пониженной пластичностью и прочностью по сравнению с основным металлом. Участок особенно опасен для закаливающихся сталей, поэтому выбор рациональной технологии сварки сводится в первую очередь к обеспечению наименьшего ухудшения свойств на этом участке ЗТВ.

Участок нормализации (перекристаллизации). Этот участок охватывает металл, нагретый до температуры, немного превышающей тем- пературу аллотропических превращений (900…1050 °С). Происходящий здесь процесс перекристаллизации при нагреве и охлаждении приводит к значительному измельчению зерен металла. Структура металла становится более мелкозернистой по сравнению с исходной. Механические свойства металла этого участка обычно лучше, чем основного металла.

Участок неполной перекристаллизации. Он включает металл, нагретый до температур 700…850 °С. При этих температурах происходит частичная перекристаллизация, т. е. часть феррита остается в исходном состоянии, другая – образует аустенит. При последующем охлаждении и распаде аустенита образуется мелкозернистая структура, поэтому здесь, наряду с зернами основного металла, не изменившимися в процессе сварки, присутствуют зерна, образовавшиеся при перекристаллизации.

Участок рекристаллизации (старения). Он наблюдается при сварке сталей, предварительно подвергшихся пластической деформации (ковке, прокатке). Температурный интервал участка 450…650 °С. На этом участке ЗТВ происходят сращивание (укрупнение) раздробленных при нагартовке зерен основного металла и некоторое его разупрочнение по сравнению с исходным состоянием. При сварке изделий из литья рекристаллизации не наблюдается. Для металлов и сплавов, склонных к старению, необ- ходимо учитывать некоторое снижение пластичности на этом участке.

Об изменении прочностных и в определенной степени пластических свойств в различных участках металла шва и ЗТВ можно судить по изменению твердости (рис. 1.6).

Повышение твердости обычно связано с повышением прочности и снижением пластичности. Характер распределения твердости в ЗТВ может быть различным, он определяется химическим составом стали и режимом сварки. Обычно в сварных изделиях не допускается твердость в зоне сварки более НВ = 300 МПа.

Таким образом, зона термического влияния неоднородна по структуре и механическим свойствам. Наиболее ослабленным является участок перегрева, а наилучшие механические свойства имеет участок нормализации. В целом механические свойства ЗТВ хуже, чем у основного металла, поэтому ее размеры необходимо ограничивать.

Чувствительность стали к изменению термического цикла сварки зависит от содержания в ней углерода, а также элементов, повышающих ее прокаливаемость и склонность к перегреву.

В сварных соединениях низкоуглеродистой и большинства низколегированных сталей рост зерна в околошовной зоне не оказывает заметного влияния на свойства металла.

При сварке углеродистых и особенно легированных сталей быстрое охлаждение околошовной зоны вызывает часто закалку металла и образование структур, имеющих значительные твердость и хрупкость. В этих случаях для улучшения структуры и свойств ЗТВ применяют термическую обработку, обычно высокий отпуск.

Рис. 1.6. Изменение механических свойств в металле шва и околошовной зоне: а – твердость; б – прочность; в – пластичность

В последние годы в строительстве возрос объем сварочных работ с применением углеродистых и низколегированных сталей, поставляемых в термоупрочненном состоянии. По сравнению с горячекатаным термоупрочненный металл (закаленный и отпущенный при определенной температуре) имеет более высокие механические свойства и более низкую температуру хладноломкости.

При сварке такой стали в зоне термического влияния может наблюдаться разупрочнение (рис. 1.7). Протяженность разупрочненной зоны («мягкой прослойки») и величина разупрочнения оказывают большое влияние на прочностные свойства сварного соединения. При правильном выборе сварочных материалов и режимов сварки прочность сварных соединений может быть практически равной прочности основного металла, если протяженность разупрочненного участка и величина разупрочнения малы.

Рис. 1.7. Схема возможных вариантов распределения твердости в сварном соединении: ОМ – основной металл; св. шов – сварной шов, ЗТВ – зона термического влияния

При сварке давлением (например, контактная сварка) сварной шов может иметь как литую структуру, так и пластически деформированную. Например, при контактной точечной сварке прохождение тока вызывает разогрев и расплавление металла в зоне сварки, создающее ядро сварной точки. Точечная сварка низкоуглеродистой стали без расплавления металла хотя и возможна, но недостаточно надежна и поэтому на практике почти не применяется.

Диаметр ядра, определяющий в основном прочность сварной точки, зависит от диаметра рабочей поверхности электрода, толщины листов, давления, силы тока и времени его прохождения. При неправильно подобранном режиме сварки может не произойти достаточного расплавления металла, и получается непроваренная точка. Когда ядро расплавляется, прилегающая к нему по окружности зона металла находится в пластическом состоянии и плотно сжимается давлением электродов. Давление создает уплотняющее кольцо пластического металла, удерживающего жидкий металл ядра. При недостаточном давлении уплотняющее кольцо не может удержать жидкий металл ядра, и происходит внутренний выброс (выплеск) металла в зазор между листами.

Кристаллизация жидкого металла происходит так же, как и при электродуговой сварке, т. е. от поверхности ядра к его середине. Ядро имеет столбчатую дендритную структуру. При охлаждении и затвердевании происходит уменьшение объема расплавленного металла ядра. В результате в центральной части ядра могут образовываться усадочная раковина, пористость и рыхлость металла. Чем толще металл, тем сильнее неблагоприятное влияние усадки. Наиболее надежным способом борьбы с этим явлением может служить повышение рабочего давления.

При сварке давлением также имеется ЗТВ, однако ее общие размеры относительно малы и не оказывают решающего влияния на прочность сварного соединения.

Практическую часть работы рекомендуется выполнять в следующей последовательности:

В зависимости от применяемых материалов и условий эксплуатации термическая обработка сварных конструкций может преследовать различные цели и одновременно выполнять многие функции. Целями проведения термической обработки теплоустойчивых сталей являются:

- получение необходимых свойств шва и околошовной зоны,

- снятие остаточных напряжений,

- стабилизация размеров конструкций при эксплуатации (особенно это важно энергетического оборудования, крупных конструкций, которые находится под воздействием различных температур и нагрузок).

Термическая обработка сварных конструкций должна рассматриваться с учетом характера изменения структуры и свойств не только в зоне повышения твердости, но и в зоне разупрочнения. При выборе режимов термической обработки сварных конструкций из теплоустойчивых сталей необходимо учитывать следующие металлургические и технологические особенности сварки:

1. В процессе многослойной сварки каждый последующий валик термически воздействует на предыдущий и околошвную зону. В результате металл шва и зоны термического влияния (за исключением верхнего слоя) подвергаются высокотемпературному нагреву, который происходит при больших скоростях и сопровождается быстрым охлаждением. При этом заметного роста зерна не наблюдается, т.к. время пребывания металла отдельных валиков и зоны термического влияния при высокой температуре кратковременное. Основные изменения связаны с прочностью и пластичностью сварного соединения в целом. В околощовной зоне наблюдается скачкообразное повышение и понижение твердости.

2. Температура термической обработки при улучшении свойств околошовной зоны должны обеспечить снижение внутренних напряжений первого рода до возможно минимального значения. (Например, в энергомашиностроении максимальные значения остаточных напряжений в сварных конструкциях не должно превышать 50 МПа).

3. В процессе термической обработки должны быть сохранены исходные механические свойства свариваемой стали. Т.е. двух-, трехкратная термическая обработка после сварки не должна приводить к разупрочнению сталей, металла шва и сварного соединения в целом.

4. Выбранный режим термической обработки должен обеспечить высокие пластические свойства околошовной зоны при длительной эксплуатации в условиях одновременного приложения температуры и нагрузки при одновременном обеспечении прочности в зоне разупрочнения.

Основными видами термической обработки теплоустойчивых сталей являются высокий отпуск и нормализация.

Высокий отпуск после сварки нельзя рассматривать как самостоятельную термическую обработку, наоборот её необходимо увязывать с исходным отпуском стали перед сваркой. В общем случае сварное соединение нагревается до температуры на 20…30 о С ниже температуры Ас₁, выдерживается в течение 1 - 5 часов и затем медленно охлаждается. В результате отпуска должно произойти:

- уменьшение уровня остаточных сварочных напряжений на 70 - 90 %,

- распад закалочных структур околошовной зоны, получение более равновесных, более пластичных структур (т.е. улучшение структуры околошовной зоны),

- получение оптимальных свойств (т.е. уменьшение твердости в околошовной зоне, повышение пластичности и ударной вязкости).

При выборе температуры отпуска следует оценивать комплексно все факторы, при этом необходимо ограничивать как верхний, так и нижний пределы температуры отпуска. Так при повышении содержания хрома, молибдена, ванадия и др. элементов повышается релаксационная стойкость стали, поэтому температура отпуска и время выдержки должны увеличиваться. При занижении температуры отпуска хромомолибденованадиевых сталей возможно дисперсионное твердение (выделение карбидов ванадия в околошовной зоне) и образование трещин при термической обработке.

Отпуску подвергаются изделия толщиной более 10 мм из хромомолибденовых сталей и более 6 мм из хромомолибденованадиевых сталей.

Режимы отпуска сварных соединений, сваренных дуговой сваркой

Марка стали	Толщина свариваемых деталей, мм	Минимальная продолжительность выдержки, ч	Температура отпуска, Т, о С
12МХ, 12ХМ, 15ХМ. 20ХМЛ	10 - 20 20 - 40 40 - 80 более 80	715 ± 15
12Х1МФ, 20ХМФЛ	6 - 10 10 - 20 20 - 40 40 - 80 более 80	735 ± 15
15Х1М1Ф, 15Х1М1ФЛ, 12Х2МФСР	6 - 10 10 - 20 20 - 40 40 - 80 более 80	745 ± 15

При нормализации сварное соединение нагревают до температуры выше критической точки Ас₃ на 20 - 30 о С, выдерживают в течение не продолжительного времени и охлаждают на спокойном воздухе. Нормализация позволяет получить однородную мелкозернистую структуру, улучшить механические свойства сварного соединения, снизить уровень остаточных напряжений. Нормализация чаще всего подвергаются сварные стыки толстенных труб малого диаметра и после газовой сварки.

Возможно сочетание нормализации и последующего высокого отпуска (сталь 15Х1М1Ф) для обеспечения высокого уровня исходной твердости (не наблюдается разупрочнения в зоне нагрева).

Рис. 6. Виды термической обработки сварных соединений теплоустойчивых сталей:

1 – термический отдых сварной конструкции, 2 – высокий отпуск, 3 – нормализация.

Приветствую тебя на Территории сварки! Тема этой статьи — околошовная зона, её еще называют зоной термического влияния. Насколько важно знать сварщику свойства этой зоны? Сейчас разберемся!

Околошовная зона, это участок сварного соединения, который находится в непосредственной близости к шву. Хоть эта зона и не нагревается до температуры плавления, она все равно испытывает такие температуры, которых достаточно для изменения структуры металла. Изменения в структуре, влекут за собой снижение прочности и сопротивление к нагрузкам. По этому, на зону термического влияния выделяют отдельное внимание.

Ширина околошовной зоны

Ширина околошовной зоны не имеет определенных значений. Она переменна и зависит от нескольких факторов.

Вид сварки
Толщина металла
Режим сварки

Выше перечислены три основных фактора, влияющих непосредственно на ширину околошовной зоны. Если вам интересны приблизительные значения ширины околошовной зоны при той или иной сварке, обратите внимание на таблицу ниже.

Можно ли снимать швы самостоятельно?

На первый взгляд может показаться, что ничего сложного в процедуре снятия швов нет. Но даже незначительная ошибка грозит серьёзными проблемами. Всеми необходимыми навыками и инструментом обладает только медицинский персонал, и самостоятельно заниматься снятием швов не рекомендуется.

В случае, когда обратиться за помощью невозможно, в крайней мере допускается самостоятельное снятие швов, но только на небольших ранах и при уверенности в полном заживлении. Важнейшим правилом является стерильность инструментов. Также стоит учитывать, что категорически запрещается трогать швы:

после сложных полосных операций;
после косметических операций;
в случае, когда используются скобы или металлическая нить;
при наличии воспаления или нагноения.

Если пациент желает провести снятие швов после операции на дому, целесообразней будет пригласить обученного специалиста, чем самостоятельно пытаться это сделать, и провести процедуру без риска для здоровья.

Таблица размеров околошовной зоны

Вид сварки	Ширина, мм, от — до
Ручная дуговая сварка(РДС)	3 — 6
Под флюсом	2 — 4
Полуавтомат в среде защитного газа Co2	1 — 3
Газовая сварка	8 — 28

Чем выше область нагрева во время сварки, тем шире околошовная зона. Так у газовой сварки самое высокое значение размера околошовной зоны.

Обратите внимание на статью — ожог глаз от сварки. В ней мы рассказали о причинах, видах и их характерных признаках. А так же о том, как лечить его в домашних условиях, народными средствами или медикаментами.

Структура околошовной зоны

Как мы уже поняли, зона термического влияния или околошовная зона — участок сварного соединения, который находится в непосредственной близости к сварному шву. Простыми словами, это металл, рядом со швом, который подвергается нагреву.

Более того, вы уже узнали о том, что при нагреве, металл околошовной зоны меняет свою структуру, кристаллическую решетку. В связи с чем, меняются и свойства металла, прочностные показатели.

Пришло время узнать, что околошовная зона имеет определенную структуру, которую можно разбить на несколько участков.

Участки околошовной зоны или зоны термического влияния с характеристиками

Участок 1

Данный участок околошовной зоны называется участком частичного расплавления. Здесь переходный участок от металла шва к основному металлу. Температура данного участка достигает более 1500 градусов по цельсию.

Участок 2

Второй участок — самый слабый участок околошовной зоны. Имеет название «участок перегрева«. Данное название обусловлено тем, что температура данной зоны варьируется от 1100 до 1500 градусов цельсии. Но температуры не достаточно для плавления, по этому структура металла становится крупнозернистой. Что и является причиной хрупкости и низкой ударной вязкости. Ширина данного участка составляет от 3-х до 4-х миллиметров.

Участок 3

Участок нормализации. Температура данного участка колеблется от 900 до 1100 градусов цельсии. Ширина зоны от половины до полутора миллиметров. Название данного участка говорит на о том, что после плавного охлаждения, структура металла становится мелкозернистой. Соответственно, свойства металла гораздо благоприятны по сравнению с первыми двумя участками.

Нормализация — процедура специального нагрева металла, до температуры достаточной для смены структуры металла. Данная процедура необходима для повышения механических свойств. Нагрев происходит до 900 градусов по цельсию.

Участок 4

Участок характеризует его температура, которая находится на отметках от 700 до 900 градусов по цельсию. А так же, свой групно -зернистой структурой. Которая характеризует участок с номером 4 плохим по механическим свойствам. Данный участок хуже чем участок №3. Ширина участка от 0.5 до 1.2 мм. Название — участок неполной перекристаллизации.

Участок 5

Участок старения или рекристаллизации. Характерная температура данного участка — 400 — 700 градусов цельсии. В случае, если металл до сварки подвергался деформации на холодную, то после сварки этот участок имеет заниженные прочностные свойства ударной вязкости. А если не подвергался деформации, то изменений не происходит.

Участок 6

Температура участка варьируется от 200 до 450 градусов цельсии. Является зоной перехода от околошовной зоны к основному металлу. Особых изменений в структуре не наблюдается. Однако, при сварке низкоуглеродистых сталей, после остывания, металл приобретает повышенные прочностные свойства, но снижается пластичность.

Обработка сварных швов — обзор методов

Сварные швы отвечают за целостность металлической конструкции. В частности, соединение должно быть достаточно прочным, устойчивым к ржавлению, влажности. Обработка сварных швов призвана обеспечить выполнение этих задач.

Методы обработки

Существует три методики, с помощью которых защищаются сварные соединения:

Термическая обработка. Благодаря этому способу можно убрать остаточные напряжения в материале, возникающие вследствие сварочных работ. Термообработка проводится по одной из двух технологий: местной, когда прогревается или охлаждается только само соединение, или общей — температурной обработке подлежит вся деталь.
Механическая обработка. В данном случае задача состоит в удалении остатков шлака и проверке надежности соединения. Типичный пример механической обработки — простукивание шва молотком или выполнение его зачистки. Если шлак не удалить, возможно развитие коррозии.
Химическая обработка. Нанесение защитных покрытий на соединение — один из способов борьбы с коррозийными процессами. Наиболее доступный вариант химической защиты — обработка шва грунтовочным лакокрасочным материалом.

Ниже остановимся на технологиях защиты сварных швов более подробно.

Термическая обработка

Помимо уменьшения остаточных напряжений металла, термообработка позволяет добиться следующих целей:

сделать структуру шва и околошовных зон более приспособленной к воздействию внешних факторов;
оптимизировать физические и эксплуатационные свойства материала, в частности, повысить стойкость к ржавлению, жаропрочность и т.д.

Термическая обработка сварных соединений предполагает нагрев на определенное время сварного соединения или всего металла до заданной температуры. Далее происходит искусственное охлаждение, которое также производится по определенному сценарию.

Околошовная зона и трещины

Сварщики часто встречаются с проблемой возникновения трещин в околошовной зоне. Такие трещины могут быть как горячими так и холодными. Трещины в зоне термического влияния являются дефектом сварного соединения. Что бы была возможность снизить вероятность образования данного дефекта, необходимо понимать причины и знать определенные меры предотвращения.

Трещины внутренние и наружные в околошовной зоне

Холодные трещины в околошовной зоне

Во-первых, нужно понимать, что холодные трещины — те, которые образуются при низких температурах основного металла. На пример во время остывания. Образуются они по причине недостатка или полного отсутствия структурных зерен в определенной области находящейся в зоне термического влияния.

Для того, что бы избежать образования таких трещин, необходимо постепенно и максимально плавно охлаждать деталь. Как правило, после сварки, деталь подогревают и постепенно снижают ёё температуру до температуру окружающей среды.

Горячие трещины в околошовной зоне

Горячие трещины возникают непосредственно во время сварки. Причиной этого является работа со среднелегированными сталями. Связанно это непосредственно с составом стали.

Что бы предотвратить появление горячих трещин в околошовной зоне, следует прибегнуть к предварительному подогреву металла.

Заключение

В заключении обращу ваше внимание. Околошовная зона или зона термического влияния образуется во всех случаях сварки. Единственное, может отличаться размеры околошовной зоны при работе разными видами сварки.

Дорогие коллеги, кому статья была полезной, не забывайте делиться ею в социальных сетях с помощью кнопок ниже, так вы поможете нам рассказать о Территории сварки другим сварщикам. Спасибо за понимание!

Когда необходимо снимать швы

В последнее время используются специальные рассасывающиеся нити, которые со временем самостоятельно выводятся из организма человека. На выбор шовного материала влияет время, в течение которого должен оставаться соединительный эффект. Если невозможно использовать рассасывающиеся нити, то применяются обычные, которые врач удаляет после заживления раны. Как правило, в медицине существуют определённые промежутки времени между наложением и снятием швов:

на брюшной полости — 7-10 дней;
на грудной клетке — 10-14 дней;
на голове/лице/шее — 6-7 дней;
голени/стопы — 10-14 дней;
при лапароскопии — 6-14 дней;
после кесарева сечения — 8-10 дней.

Точно заранее определить, когда и как проводить процедуру, невозможно, ведь способность тканей к регенерации — процесс индивидуальный, от которого во многом зависят сроки снятия швов. На длительность ношение швов также могут повлиять пожилой возраст, ослабленный организм, сопутствующие заболевания у пациента, нагноение или инфицирование раны.

Закажите снятие швов на дому

В стоимость входит:

Обработка антисептиком
Удаление шовного материала (снятие швов)
Вторичная обработка антисептиком
Нанесение заживляющей мази
Наложение повязки
Необходимые материалы и препараты

Подробнее об услуге
Главный показатель того, что пора снимать швы — заживление раны. Определить это можно по нескольким признакам:

плотно сросшиеся края раны;
отсутствие воспаления, покраснения и боли в области шва.

Стоит иметь в виду, что слишком рано проведённая процедура приводит к расхождению швов, а если затянуть со снятием, есть риск нагноения раны и вросших в кожу ниток. В любом случае, проводит ли пациент снятие швов на дому или в больнице, необходима консультация хирурга. Только опытный специалист способен оценить заживление раны, тем самым свести к минимуму вероятные осложнения.

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.

Участки сварного соединения вблизи непосредственного действия источника тепла нагреваются до наиболее высоких температур. По мере удаления от источника нагрева температура металла снижается. При значительных размерах свариваемого изделия на некотором расстоянии от сварного шва нагрева металла не происходит.

В околошовной зоне (ОШЗ) происходят наиболее резкие изменения структуры и свойств основного металла, которые определяют качество сварных соединений – прочность, пластичность и ударную вязкость, а в ряде случаев и другие особые свойства металла, как, например, жаропрочность и коррозионную стойкость. Околошовная зона или зона термического влияния образуется при всех видах электрической сварки плавлением. Ширина ее изменяется в зависимости от способа и режима сварки, состава и толщины основного металла.

После завершения сварки каждый участок металла свариваемого изделия претерпевает изменения температуры во времени, причем характерные участки (рис.1.1) имеют различную максимальную температуру и несколько отличающиеся скорости нагрева и охлаждения. В связи с этим каждый характерный участок металла после окончания процесса сварки испытывает те или иные структурные изменения вследствие превращений, протекающих при охлаждении.

Рис.1.1 – Строение зоны термического влияния при сварке малоуглеродистой стали

Металл первого участка околошовной зоны (зона сплавления), примыкающей непосредственно к металлу шва, находится в твердожидком состоянии. Участок имеет сравнительно небольшую ширину (0,1—0,4 мм) и отличается от соседних участков, что вызвано диффузионными процессами, протекающими в процессе дуговой сварки в зоне сплавления. Направление диффузии элемента определяется коэффициентом распределения в твердой и жидкой фазах, а также содержанием элемента в основном металле и сварочной ванне, В зависимости от соотношения этих величин диффузии элемента может происходить из основного металла в шов или из металла шва в основной металл.

При сварке сталей низкоуглеродистой проволокой элементы перемещаются из основного металла в шов. Участок металла околошовной зоны обедняется этими элементами. Например, при соблюдении указанных условий наблюдается заметная диффузия углерода из основного металла в сварочную ванну. При этом максимальная концентрация углерода в жидкой ванне в месте контакта твердой и жидкой фаз достигает 0,145%, а участок основного металла обедняется до 0,019%. При сварке чугунным электродом низкоуглеродистой стали, диффузия происходит в обратном направлении. Узкий участок основного металла околошовной зоны обогащается углеродом и его ширина достигает 0,01 см. Прилегающие объемы сварочной зоны, наоборот, обедняются углеродом. Эти явления могут приводить к изменению состава и структуры металла в зоне сплавления.

При замедленном охлаждении или изотермической выдержке распределение углерода может изменяться в направлении выравнивания первоначального распределения в соответствии с растворимостью его в основном и направленном металлах или образованием карбидов в участках первоначального скопления углерода.

Свойства зоны сплавления в ряде случаев оказывают резкое влияние на свойства сварного соединения. Ширина зоны сплавления зависит от характера источника нагрева, состава свариваемого и электродного металла и ряда других факторов.

Тип структуры участка перегрева зависит от характера термического цикла сварки и состава металла. Так, в некоторых случаях формируется видманштеттова структура, характеризующаяся резко выраженной направленностью ферритных выделений под углом друг к другу около 120º. Появление видманштеттовой структуры менее характерно для дуговой и более характерно для электрошлаковой сварки углеродистых и низколегированных сталей.

В легированных сталях участки металла, нагревающиеся при сварке выше температуры Ас3, в результате быстрого охлаждения образуются структуры закалки. Конечная структура этих участков может быть получена либо мартенситной, либо мартенситно-бейнитной. Однако структура зоны по ширине от участка сплавления до участка, будет неодинаковой. В результате распада крупных аустенитных зерен в участках, прилегающих к границе сплавления и нагревающихся при сварке выше 1200°С, образуется более крупнопластинчатый мартенсит, чем в участках металла, нагревающихся при сварке только несколько выше Ас3, структура зоны сплавления является почти такой же, как и структура участка перегрева. Обычно металл второго участка обладает меньшей пластичностью и стойкостью против перехода в хрупкое состояние, чем основной металл вдали от зоны термического влияния. Поэтому при выборе оптимальной технологии сварки необходимо обеспечение наименьшего снижения свойств на этом участке.

В низкоуглеродистых и низколегированных сталях в участке нормализации образуется мелкозернистая структура, характеризующаяся в целом достаточно высоким комплексом механических свойств (прочностью, пластичностью, вязкостью). В среднелегированных сталях в металле третьего участка образуется мелкопластинчатый мартенсит или смесь мартенсита и продуктов промежуточного превращения. Размер зерна участка нормализации так же, как и участка перегрева, зависит от термического цикла сварки и химического состава стали.

Четвертый участок околошовной зоны включает в себя металл, нагретый от температур Ас1 до температур Ас3. Металл участка подвергается только частичной перекристаллизации и поэтому указанный участок называется участком неполной перекристаллизации. Металл этого участка на низкоуглеродистых и низколегированных сталях характеризуется почти неизменяющимся ферритным зерном и некоторым дроблением и сфероидизацией перлитных участков. В среднелегированных сталях после охлаждения формируется структура частичной закалки.

Структура четвертого участка зоны термического влияния зависит от структуры исходного состояния перед сваркой. Если в исходном состоянии металл был закален или отпущен, то его нагрев между температурами Ас1—Ас3 и последующее охлаждение приводят к конечным структурам частичной закалки. Ферритно-перлитная структура низкоуглеродистых и низколегированных сталей после нагрева и охлаждения по термическим циклам после перекристаллизации остается той же, хотя размер зерна перлита может изменяться. Ферритное зерно останется без изменений. Изменения структуры металла этого участка значительно меньше влияют на качество сварного соединения, чем изменения в рассмотренных первых трех.

Следующий участок — пятый — называется участком рекристаллизации. Он включает металл, который нагревался от 500°С до температур несколько ниже Ас1. Участки зоны, нагревавшиеся ниже Ас1, по своей структуре и свойствам могут быть различными в зависимости от исходного состояния металла перед сваркой. Если металл перед сваркой подвергается холодной пластической деформации, то при нагреве до температур ниже Ас1 происходит рекристаллизация, приводящая к значительному росту зерна. Нижний предел температур рекристаллизационной зоны обычно выше нижнего предела рекристаллизации металла. В сварных соединениях рекристаллизационная структура часто наблюдается, если участок нагревался до температур выше 500—525°С.

Для этого участка характерно некоторое разупрочнение и снижение твердости по сравнению с исходным состоянием. При сварке углеродистых и ряда других сталей происходят снижение пластичности и ударной вязкости и повышение прочности металла, что вызывается процессом старения, протекающим при охлаждении.

Шестой участок – участок синеломкости включает металл, который нагревался в интервале температур 100—500°С. Этот участок в процессе сварки не претерпевает видимых структурных изменений. Однако при сварке низкоуглеродистых сталей с повышенным количеством газов (при нагреве до температур 100—300°С) наблюдается снижение ударной вязкости. В легированных закаленных перед сваркой сталях происходит образование структуры мартенсита отпуска. Для закаленного и отпущенного перед сваркой металла нижняя граница изменения структуры и свойств определяется температурой предварительного отпуска.

Ширина характерных участков околошовной зоны зависит от способа и режима сварки, а также в некоторой степени от толщины свариваемого металла. При многослойной сварке выполнение каждого последующего валика (шва) приводит к дополнительному тепловому воздействию термического цикла как на металле ранее выполненных швов. В результате изменяется структура. Это влияние определяется термическим циклом при выполнении последующих швов, способом сварки, величиной погонной энергии и рядом других факторов.

Высоколегированные аустенитные стали не претерпевают видимых фазовых превращений при воздействии на них сварочного термического цикла. Поэтому околошовная зона этих сталей имеет менее сложное строение. Рост зерна в ОШЗ при сварке хромоникелевых сталей происходит в значительно меньшей степени, чем при сварке углеродистых и низколегированных сталей.

Размер зоны сплавления высоколегированных сталей сравнительно невелик и определяется температурным градиентом и интервалом кристаллизации. Если температурный градиент мал, как, например, при электрошлаковой сварке, а интервал кристаллизации сравнительно велик, то ширина зоны сплавления возрастает, и, наоборот, если температурный градиент велик (электроннолучевая сварка), а интервал кристаллизации мал, то ширина зоны сплавления уменьшается. При сварке однофазных аустенитных сталей, имеющих сравнительно малый интервал кристаллизации, зона сплавления обычно слабо выражена, а в ряде случаев выглядит в виде линии, пересекающей зерна основного металла.

Контрольные вопросы

1. Какие факторы влияют на ширину околошовной зоны?

2. Опишите особенности структурных превращений в околошовной зоне сварных соединений сталей:

Читайте также: