Термообработка сварных швов: Термообработка сварных швов трубопроводов

Термообработка сварных швов и соединений: процесс выполнения

Различают три разновидности термической обработки деталей. Первая разновидность — это подготовка деталей перед сваркой. Некоторые конфигурации свариваемых изделий (например, трубы больших диаметров) требуют предварительного подогрева до 110 – 120 С0 непосредственно перед сваркой. К некоторым изделиям применяют определенные методы во время сварки. В этой статье мы расскажем, как проводится термообработка сварных швов уже готовых сваренных изделий.

1 / 1

Для чего нужна термообработка

В процессе сварки в металле свариваемых деталей происходят разнообразные процессы. Главные из которых это:

• неравномерный прогрев и охлаждение различных зон;
• фазовые преобразования в металле;
• химическое взаимодействие с окружающим пространством.

Все эти процессы приводят к появлению местных напряжений, которые могут стать причиной возникновения трещин и, в тяжелых случаях, привести к полному разрушению изделия.

От всех этих неприятностей поможет избавиться термообработка сварных соединений.

Виды обработки

Термообработка может производиться разными способами в различных режимах. В зависимости от химического состава и геометрических размеров изделия используют следующие виды термообработки.

Стабилизирующий отжиг

Изделие нагревается до температуры 970 градусов, и эта температура поддерживается в течение полутора часов. Далее происходит естественное охлаждение. Метод получил широкое распространение при термообработке высоколегированных сталей.

Термический отдых

Этот процесс предусматривает нагрев металла до 300 С⁰ с последующей выдержкой при этой температуре. Идеальное время выдержки два часа. Кроме снятия напряжения, этот способ снижает количество растворенного водорода в металле шва. Такой метод более всего может пригодиться для обработки изделий с толстыми стенками, где другие методы применить сложно.

Нормализация

Применяется при термической обработке труб малого диаметра. Такие трубы имеют тонкие стенки. В данном случае шов с участком трубы нагревают до 800 градусов и выдерживают около получаса. Таким образом, удается снять только часть напряжений, но это не главное. Главная цель этого вида обработки – придание металлу мелкозернистой однородной структуры.

Высокий отпуск

Подходит для сталей перлитного класса. Время обработки выбирается в пределах нескольких часов. Температуру нагрева доводят до 600 – 700 градусов. Такая обработка решает множество проблем для низколегированных сталей. Остаточное напряжение снимается практически полностью, исчезает закалочная структура.

Аустенизация

Самый высокотемпературный вид. Процессы идут при 1100 градусах в течение 120 – 180 минут. Далее проходит естественное остывание на воздухе. Применяется, в основном, на высоколегированных сталях, придавая им высокую пластичность при незначительных остаточных напряжениях.

Применение различных видов термообработки позволяет повысить прочность сварных швов, увеличить надежность изделий и значительно продлевает срок технической эксплуатации, способствуя повышению коррозионной стойкости металла.

Особенности процесса и применяемое оборудование

Термическая обработка швов требует различных технологий и оборудования. Существует три основных типа оборудования для термической обработки.

Радиационное оборудование — это наиболее простой, а значит, и самый распространенный вид оборудования. Нагрев изделия происходит за счет передачи тепла от нагретой нихромовой проволоки. Между проволокой и изделием прокладывают термостойкий электроизоляционный материал и постепенно увеличивают напряжение на нагревательном элементе (нихромовая проволока). Работа проходит намного быстрее, если нагревательная проволока уже изолирована, и нет необходимости каждый раз изолировать изделие.

Регулировка напряжения может осуществляться различными средствами: от простейших способов переключения отводов на обмотке понижающего трансформатора или устройства гасящих сопротивлений, до высокотехнологичных электронных преобразователей напряжения на тиристорах.

Газопламенное оборудование намного хлопотнее предыдущего вида. Согласитесь, что обеспечить подачу электрического питания намного проще, чем подачу газа. Такие же сложности с регулировкой процесса и контролем параметров. И еще проблематичнее выглядят возможности механизации или автоматизации термообработки сварных швов с применением газопламенного оборудования. Но есть у этого оборудования и одно неоспоримое преимущество – низкая стоимость работ. Это становится понятным при самом приближенном сравнении стоимости электроэнергии и газа.

Индукционные установки

Этот вид термообработки требует специального дорогостоящего оборудования и квалифицированного обслуживания. Промышленность выпускает как переносные индукционные установки, рассчитанные на обработку некрупных деталей в «полевых» условиях, так и многофункциональные гиганты, на основе которых создаются целые производственные участки.

На таких участках используют мощные индукционные установки, вырабатывающие высокочастотное напряжение. Это напряжение подаётся на провода, особым образом расположенные на обрабатываемом изделии. Протекающий в проводах ток, в свою очередь, вызывает появление токов в обрабатываемой детали, которые и разогревают её до нужной температуры.

Индукционные установки используются не только для термообработки сварных швов, но и для разогрева труб в процессе их изгибания. Таким образом, имеется возможность на одной промышленной линии осуществлять разогрев труб перед сваркой, непосредственно сварку труб и термообработку сварных швов. К этому участку обычно примыкает участок приварки фланцев и других деталей.

Необходимо отметить, что все эти процессы легко механизируются и автоматизируются. При наличии необходимого набора датчиков, компьютера и программного обеспечения можно создавать полностью автоматические производственные линии.

 

Термообработка сварных швов

Сварные соединения, выполненные дуговыми способами, непосредственно после процесса сварки характеризуются неоднородностью структуры и свойств сварного шва, зоны термического влияния, а также наличием в них сварочных напряжений.

Неоднородность структуры и свойств металла зависят главным образом от неравномерности нагрева при сварке. Металл шва в процессе сварки в расплавленном состоянии имеет температуру свыше 2000°С, в то время, как соседние слои металла находятся в твердом состоянии при намного более низких температурах. Вдоль сварного шва возникает область металла, которая при сварке нагревается до очень высокой температуры, а потом охлаждается до комнатной. Эта область называется зоной термического влияния (ЗТВ).

При нагреве все металлы расширяются, а при снижении температуры сжимаются. Этому процессу в области сварки препятствуют окружающие холодные слои металла и как следствие в области сварного шва и в ЗТВ возникают остаточные сварочные напряжения. Сварочные напряжения могут достигать значительных величин, близких к пределу текучести (250-350 МПа). Сварочные напряжения опасны тем, что могут вызвать появление трещин в сварных соединениях, особенно выполненных из легированных сталей.

Кроме того, эти стали в производственных условиях при сварке быстро остывают, что приводит к образованию закалочных структур в сварном шве и ЗТВ, также способствующих образованию трещин. При больших остаточных напряжениях в присутствии определённых химических веществ могут происходить особый вид разрушения – коррозионное растрескивание. Например, очень малые концентрации хлоридов могут серьёзно воздействовать на обычно устойчивые нержавеющие стали.

Ещё одна проблема – водород. Если в зоне сварки окажется вода, то она может попасть под электрическую дугу. Под воздействием электричества вода будет разложена на кислород и водород, который, в свою очередь, попадет в расплав. Присутствие водорода может привести к серьезным проблемам при сварке.

Одним из основных средств решения этих проблем и повышения надежности сварных соединений является нагрев или термическая обработка, в результате которой снижается уровень сварочных напряжений, улучшается структура и свойства металла соединения, удаляется водород.

Основные виды термообработки сварных швов:

• Предварительный подогрев перед сваркой;
• Сопутствующий подогрев во время сварки;
• Послесварочный нагрев.

Послесварочная термообработка имеет следующие разновидности:

• Термический отдых;
• Высокий отпуск;
• Нормализация;
• Стабилизирующий отжиг;
• Аустенизация.

Термообработка сварных швов является важной стадией технологического процесса. Неправильно проведенная послесварочная термообработка сварных соединений может свести на «нет» все предыдущие усилия.

В зависимости от размера и вида обрабатываемого изделия, марки стали, вида термообработки, а также количества сварных швов на изделии экономически и технически целесообразным могут быть разные виды термообработки: местная (пошовная, локальная) термообработка отдельных сварных швов или объемная (внепечная) термообработка всего изделия.

Наша компания имеет многолетний опыт решения задач по термообработке от самых простых до чрезвычайно сложных. Наши инженеры помогут подобрать оборудование и правильно рассчитать нагревательные элементы. Менеджеры помогут найти оптимальный способ доставки оборудования для термообработки. Конструктора разработают специальные конструкции под самые изощренные задачи. Высокие стандарты качества Профессионализм Широкий модельный ряд Современные технологии Конструкторская деятельность Обучение операторов-термистов

Термическая обработка сварных соединений. Часть 1

Термическая обработка является операцией, требующей больших затрат времени и средств. Это может повлиять на прочность и ударную вязкость сварного соединения, его коррозионную стойкость и уровень остаточного напряжения, но также является обязательной операцией, указанной во многих прикладных нормах и стандартах. Кроме того, это важная переменная в аттестационных требованиях к процедуре сварки.

 

Нажмите здесь, чтобы посмотреть наши последние технические подкасты на YouTube .

 

Перед обсуждением диапазона термической обработки, которой может быть подвергнут металл, необходимо четко определить, что подразумевается под различными терминами, используемыми для описания диапазона термической обработки, которая может быть применена к сварному соединению. Такие термины часто используются неправильно, особенно неспециалистами; для металлурга они имеют очень точное значение.

Обработка раствора

Проводится при высокой температуре и предназначена для введения в раствор элементов и соединений, которые затем сохраняются в растворе путем быстрого охлаждения от температуры обработки раствора. Это может быть сделано для снижения прочности соединения или для повышения его коррозионной стойкости. Для некоторых сплавов за этим может следовать термообработка при более низкой температуре для контролируемого преобразования выделений (старение или дисперсионное твердение).

Отжиг

Он заключается в нагреве металла до высокой температуры, при котором происходит рекристаллизация и/или фазовое превращение, с последующим медленным охлаждением, часто в печи для термообработки. Это часто делается для размягчения металла после его закалки, например, путем холодной обработки; полный отжиг дает очень мягкую микроструктуру. Это также приводит к снижению предела текучести и предела прочности при растяжении, а в случае ферритных сталей обычно к снижению ударной вязкости.

Нормализация

Это термическая обработка, которая проводится только для ферритных сталей. Он включает нагрев стали примерно на 30-50°С выше верхней температуры превращения (для стали с 0,20% углерода это будет около 910°С) и охлаждение в неподвижном воздухе. Это приводит к уменьшению размера зерна и повышению как прочности, так и ударной вязкости.

Закалка

Включает быстрое охлаждение от высокой температуры. Ферритная сталь должна быть нагрета выше верхней температуры превращения и подвергнута закалке в воде, масле или воздушной струе для получения очень высокопрочного мелкозернистого мартенсита. Стали никогда не используются в закаленном состоянии, их всегда отпускают после операции закалки.

Отпуск

Термическая обработка ферритных сталей при относительно низкой температуре, ниже нижней температуры превращения; в обычной конструкционной углеродистой стали это будет в районе 600-650°С. Он снижает твердость, снижает прочность на растяжение и повышает пластичность и ударную вязкость. Большинство нормализованных сталей перед сваркой подвергают отпуску, все закаленные стали используют в закаленном и отпущенном состоянии.

Старение или дисперсионное твердение

Низкотемпературная термообработка, предназначенная для получения надлежащего размера и распределения осадков, тем самым увеличивая выход и прочность на разрыв. Обычно этому предшествует термическая обработка раствора. Для стали температура может быть где-то между 450-740°С, алюминиевый сплав будет стариться при температуре 100-200°С. Более длительное время и/или более высокие температуры приводят к увеличению размера осадка и снижению как твердости, так и прочности.

Снятие напряжения

Как следует из названия, это термическая обработка, предназначенная для уменьшения остаточных напряжений, возникающих в результате усадки сварного шва. Он основан на том факте, что при повышении температуры металла предел текучести снижается, что позволяет перераспределить остаточные напряжения за счет ползучести сварного шва и основного металла. Охлаждение от температуры снятия напряжения контролируется, чтобы не возникало вредных температурных градиентов.

Последующий нагрев

Низкотемпературная термообработка, проводимая сразу после завершения сварки путем увеличения предварительного нагрева примерно на 100°C и поддержания этой температуры в течение 3 или 4 часов. Это способствует диффузии любого водорода в сварном шве или зонах термического влияния из соединения и снижает риск холодного растрескивания, вызванного водородом. Он используется только для ферритных сталей, где водородное холодное растрескивание является серьезной проблемой, т. е. для сталей, очень чувствительных к растрескиванию, очень толстых соединений и т. д.

Термическая обработка после сварки (PWHT)

Так что же означает термин «термическая обработка после сварки»? Для некоторых инженеров это довольно расплывчатый термин, который используется для описания любой термической обработки, проводимой после завершения сварки. Однако для других, особенно для тех, кто работает в соответствии с кодами сосудов под давлением, такими как BS PD 5500, EN 13445 или ASME VIII, это имеет очень точное значение. Поэтому, когда инженер говорит о термической обработке после сварки, отжиге, отпуске или снятии напряжений, рекомендуется.

Термическая обработка после сварки может проводиться по одной или нескольким из трех основных причин:

• для достижения стабильности размеров с целью соблюдения допусков во время операций механической обработки или во время приспособляемости в процессе эксплуатации
• для производства специальных металлургических конструкций с целью достижения требуемых механических свойств
• для снижения риска возникновения проблем в процессе эксплуатации, таких как коррозия под напряжением или хрупкое разрушение, за счет снижения остаточного напряжения в сварном компоненте

Диапазон термической обработки для достижения одной или нескольких из этих трех целей в диапазоне черных и цветных металлов и сплавов, которые могут быть сварены, очевидно, слишком широк, чтобы подробно описывать его в этих кратких статьях. Акцент в следующем разделе будет сделан на PWHT углеродистых и низколегированных сталей в соответствии с требованиями стандартов применения, хотя будут кратко упомянуты и другие формы термической обработки, с которыми инженер-сварщик может столкнуться при сварке ферросплавов. Здесь задействованы два основных механизма: во-первых, снятие напряжения и, во-вторых, микроструктурные модификации или отпуск.

Снятие стресса

Почему необходимо снимать стресс? Это дорогостоящая операция, требующая нагрева части или всего свариваемого изделия до высокой температуры, и она может вызвать нежелательные металлургические изменения в некоторых сплавах. Как упоминалось выше, может быть одна или несколько причин. Высокие остаточные напряжения, зафиксированные в сварном соединении, могут вызвать деформацию за пределами допустимых размеров при механической обработке изделия или при его вводе в эксплуатацию. Высокие остаточные напряжения в углеродистых и низколегированных сталях могут увеличить риск хрупкого разрушения, создавая движущую силу для распространения трещины. Остаточные напряжения вызывают коррозионное растрескивание под напряжением в соответствующей среде, например, в углеродистой и низколегированной стали в щелочной среде или в нержавеющей стали, подверженной воздействию хлоридов.

Чем вызваны эти высокие остаточные напряжения? Сварка включает осаждение расплавленного металла между двумя практически холодными поверхностями основного металла. Когда соединение охлаждается, металл сварного шва сжимается, но удерживается холодным металлом с обеих сторон; поэтому остаточное напряжение в соединении увеличивается с понижением температуры. Когда напряжение достигает достаточно высокого значения (предела текучести или предела текучести при этой температуре), металл пластически деформируется посредством механизма ползучести, так что напряжение в соединении соответствует пределу текучести. По мере того, как температура продолжает падать, предел текучести увеличивается, препятствуя деформации, так что при температуре окружающей среды остаточное напряжение часто равно пределу текучести (рис. 1).

Чтобы уменьшить этот высокий уровень остаточного напряжения, компонент повторно нагревается до достаточно высокой температуры. По мере повышения температуры предел текучести падает, что приводит к деформации и снижению остаточного напряжения до тех пор, пока не будет достигнут приемлемый уровень. Компонент будет выдержан при этой температуре (пропитан) в течение определенного периода времени, пока не будет достигнуто стабильное состояние, а затем снова охлажден до комнатной температуры. Остаточное напряжение в соединении равно пределу текучести при температуре выдержки.

На рис. 1 показано, что остаточное напряжение в углеродисто-марганцевой стали достаточно стабильно падает от температуры окружающей среды до примерно 600°C, но для высокопрочных жаропрочных сталей температура должна быть выше 400°C, прежде чем остаточное напряжение начнет падать. Нержавеющая сталь практически не подвергается воздействию до тех пор, пока температура не превысит 500°C. Поэтому существует диапазон температур выдержки для различных сплавов, позволяющий добиться приемлемого снижения остаточного напряжения без неблагоприятного воздействия на механические свойства соединения. В углеродистых марганцевых сталях эта температура будет находиться в пределах 550-620°С, в жаропрочных сталях где-то между 650-750°С и в нержавеющих сталях между 800-850°С.0003

В следующей статье будет рассказано об отпуске ферритных сталей, за ней последует дополнительная информация о других сплавах и методах применения и контроля термообработки.

Для получения дополнительной информации, пожалуйста, свяжитесь с нами.

Термическая обработка сварных соединений

Хотя термообработка является своевременной и дорогостоящей операцией, она является обязательной во многих прикладных нормах и стандартах.

Существует множество терминов, которые используются для описания ряда термообработок, которые могут быть применены к сварному соединению, каждый из которых имеет очень специфическое значение…

Обработка раствором

Предназначен для введения в раствор элементов и соединений, которые затем удерживаются в растворе путем быстрого охлаждения от высокой температуры обработки раствором. Повышает коррозионную стойкость, а также может снижать прочность соединения. Может сопровождаться термообработкой при более низкой температуре для контролируемого преобразования выделений (старение или дисперсионное твердение) в некоторых сплавах.

Отжиг

Нагрев металла до высокой температуры, при котором происходит рекристаллизация и/или фазовое превращение, с последующим медленным охлаждением, часто в печи для термообработки. Этот процесс проводится для размягчения металла после его закалки, например, с использованием холодной обработки, полный отжиг дает очень мягкую микроструктуру. Часто отмечают снижение текучести и предела прочности при растяжении, а в случае ферритных сталей обычно снижение ударной вязкости.

Нормализация

Проводится только на ферритных сталях, включает нагрев стали на 30-50°С выше верхней температуры превращения, затем охлаждение в неподвижном воздухе. Этот процесс термообработки приводит к уменьшению размера зерна с улучшением прочности и ударной вязкости.

Закалка

Эта термообработка требует быстрого охлаждения от высокой температуры. Ферритная сталь должна быть нагрета выше верхней температуры превращения, а затем закалена в воде, масле или воздушной струе. Получение очень высокопрочного мелкозернистого мартенсита. Стали всегда отпускаются после процесса закалки и никогда не используются в закаленном состоянии.

Отпуск

Проводится при относительно низкой температуре, ниже нижней температуры превращения ферритных сталей. Этот процесс снижает твердость, снижает прочность на растяжение и повышает ударную вязкость и пластичность. Большинство нормализованных сталей проходят отпуск перед сваркой, при этом все закаленные стали используются в закаленном и отпущенном состоянии.

Старение или дисперсионное твердение

Другая низкотемпературная термообработка, предназначенная для получения надлежащего размера и распределения выделений, что повышает предел текучести и прочность на растяжение. Эта термообработка обычно следует за термообработкой на твердый раствор. Более длительное время и/или более высокие температуры приводят к увеличению размера осадка и снижению как твердости, так и прочности.

Снятие напряжения

Как следует из названия, этот процесс предназначен для снижения остаточных напряжений, возникающих в результате усадки сварного шва. По мере повышения температуры металла предел текучести снижается, позволяя остаточным напряжениям перераспределяться за счет ползучести сварного шва и основного металла. Охлаждение от температуры снятия напряжения контролируется, чтобы предотвратить возникновение вредных температурных градиентов.

Последующий нагрев

Выполняется сразу после завершения сварки, представляет собой низкотемпературную термообработку, увеличивающую предварительный нагрев на 100°C и поддерживающий его в течение примерно 3 или 4 часов. Таким образом, способствуя диффузии любого водорода в сварном шве или ЗТВ (зоне термического влияния) из соединения, снижается риск холодного растрескивания, вызванного водородом. Используется только там, где водородное холодное растрескивание является серьезной проблемой — ферритные стали, которые очень чувствительны к растрескиванию, очень толстые соединения и т. д.

Термическая обработка после сварки

Термическая обработка после сварки проводится по трем основным причинам:

1. Для достижения стабильности размеров для соблюдения допусков во время операций механической обработки или во время приспособляемости
2. Для производства специальных металлургических конструкций с целью достижения требуемых механических свойств
3. Для снижения риска возникновения проблем в процессе эксплуатации, таких как коррозия под напряжением или хрупкое разрушение, за счет снижения остаточного напряжения в свариваемом компоненте.

Снятие стресса является одним из основных видов термообработки для вышеуказанных целей.
Это дорогостоящая операция, требующая нагрева всей свариваемой детали или ее части до высокой температуры. Это может вызвать нежелательные эффекты в некоторых сплавах.

Однако высокое остаточное напряжение, зафиксированное в сварном соединении, может вызвать деформацию за пределами допустимых параметров при механической обработке изделия или при его вводе в эксплуатацию. Высокие остаточные напряжения в углеродистых и низколегированных сталях могут увеличить риск хрупкого разрушения, создавая движущую силу для распространения трещины. Остаточные напряжения вызовут коррозионное растрескивание под напряжением в соответствующей среде.

Чтобы уменьшить этот уровень остаточного напряжения, деталь повторно нагревают до достаточно высокой температуры. По мере повышения температуры предел текучести падает, что приводит к деформации и снижению остаточного напряжения до тех пор, пока не будет достигнут приемлемый уровень. Компонент будет выдерживаться при этой температуре, известной как вымачивание, в течение определенного периода времени, пока не будет достигнуто стабильное состояние, а затем снова охлаждаться до комнатной температуры.