Раздел 3

Раздел 3. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СВАРНЫХ ШВОВ

Тема 3.1 Выбор вида термической обработки. Режимы термической обработки. Оборудование для термической обработки.

Методическая разработка учебного занятия

Тема занятия: Термическая обработка сварных швов

Вид занятия: комбинированное занятие

Цели занятия:

Образовательная:

- Изучить термическую обработку сварных швов

Воспитательная:

- показать значение данной темы для дальнейшего изучения дисциплины;

- формирование у студентов интереса к будущей профессии

Развивающая:

- расширение кругозора студентов по данной теме

- развитие у студентов творческого подхода к изучению предмета

Ожидаемые результаты занятия:

Студент должен:

Знать:

- виды термической обработки сварных конструкций;

- критерии выбора параметров режима термической обработки сварных конструкций;

- способы нагревания сварных швов и узлов;

- оборудование для нагрева;

- приборы регистрации и записи параметров термообработки;

Уметь:

- использовать справочники для выбора вида и режима термообработки.

Межпредметные связи:

Обеспечивающие: материаловедение, технологические процессы в машиностроении

Обеспечиваемые: курсовое и дипломное проектирование

Обеспечение занятия:

Наглядные пособия:

Технические средства обучения:

Учебные места: кабинет ТЭСП

Литература:

Основная: 1) Куркин С.А. Сварные конструкции. Технология изготовления, механизация, автоматизация и контроль качества в сварочном производстве – М.: Высшая школа, 1991

Дополнительная: Маслов Б.Г. Производство сварных конструкций – М.: Издательский центр «Академия», 2008

Ход занятия.

Ход занятия | Деятельность преподавателя | Деятельность студентов
1. Организационный момент | Сообщение студентам темы и задач занятия. Проверка готовности к уроку. | Наличие на столе рабочей тетради, письменных принадлежностей.
2. Изучение нового материала | Сообщает содержание этапов занятия | Записывают в тетрадях вопросы необходимые для изучения
3. Закрепление нового материала | Задает вопросы для повторения пройденного материала | Отвечают на поставленные вопросы
4. Домашнее задание | Стр. 65-72 |
5. Подведение итогов занятия | Объявляет итоги занятия. |

Вопросы, изучаемые на уроке:

1. Классификация видов термической обработки;

2. Средства нагрева;

3. Выбор вида и параметров режима термообработки сварных конструкций.

Изучение нового материала

Вопрос 1. Классификация видов термической обработки

Термическая обработка — совокупность операций нагрева металлов и сплавов до определенной температуры, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения с целью изменения их структуры и свойств. Для сварных соединений термическую обработку можно выполнять до сварки и после нее. Термообработка является окончательной операцией для придания металлу комплекса физико-механических свойств, которые обеспечивают требуемые эксплуатационные характеристики.

Термическую обработку деталей из сталей чаще всего выполняют после сварки. Различают следующие виды термической обработки: отжиг, нормализацию, закалку и отпуск.

Отжиг — термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла (структура которого находится в неравновесном состоянии) до определенной температуры, в выдержке и последующем медленном охлаждении, с целью получения более устойчивой структуры. Отжиг изделий применяют для внутренних напряжений, возникающих при сварке, снижения твердости, повышения пластичности и вязкости и т.д. Температура нагрева изделий при отжиге различна. Различают следующие виды отжига: диффузионный, полный, неполный и рекристаллизационный.

Диффузионный отжиг проводят с целью устранения химической неоднородности зерен металла. При диффузионном отжиге изделие нагревают до температуры на 200... 300°С выше значений температуры фазового превращения, выдерживают в печи в течение 10... 12 ч и медленно охлаждают до температуры 200°С. При этом общее время отжига составляет 80...100 ч. Диффузионный отжиг проводят для сварных заготовок из легированных сталей.

Полный отжиг основан на фазовой перекристаллизации зерен металлов, приводящей к их измельчению. При полном отжиге устраняется волокнистая структура основного металла, полученная в процессе ковки или прокатки, происходит снятие внутренних напряжений и повышение пластичности изделий, что облегчает их дальнейшую обработку.

При полном отжиге температура нагрева на 30... 50 °С выше АсЪ (рис. 3.1). Полный отжиг применяют обычно для сварных изделий из ферритоперлитных сталей, при этом после охлаждения структура стали, остается 'ферритоперлитной, но с более мелкими зернами.

Неполный отжиг осуществляют при температуре нагрева на 20... 30 °С выше значений Ас3. Неполный отжиг црименяют обычно для сварных изделий из перлитных сталей. После охлаждения структура стали из пластинчатого перлита с сеткой цементита превращается в структуру зернистого перлита, обладающую большей пластичностью. Такой отжиг часто называют сфероидизацией.

Рекристаллизационный отжиг применяют для снятия внутренних напряжений, снижения твердости и получения равновесной структуры металла. Такой отжиг проводят для сварных заготовок, полученных холодной обработкой (волочением, прокаткой).

Отжиг изделий проводят в печи при температуре нагрева, близкой кАС1 (650...700 °С), с последующим медленным охлаждением вместе с печью.

В процессе рекристаллизационного отжига из деформированных зерен образуются более мелкие равноосные зерна. В результате после отжига материал изделия имеет более высокую пластичность, но меньшую твердость.

При изготовлении сварных конструкций широко применяют нормализацию, закалку и отпуск.

Нормализация — вид термической обработки, заключающийся в нагреве изделий из стали до температуры выше Ас3 на 50... 60 °С, непродолжительной выдержки (несколько минут) и получения мелкозернистой структуры при этой температуре с последующим охлаждением на воздухе.

Рис. Диаграммы высокого отпуска (а), нормализации (б) и закалки (в) стали:

1 — нагрев; 2 — выдержка; 3 — охлаждение

Нормализацию применяют для получения мелкозернистой структуры металла, равномерного распределения структурных составляющих, улучшения механических и специальных свойств сварных соединений, а также для снижения остаточных напряжений. Нормализацию сварных соединений изделий из низкоуглеродистых сталей применяют чаще, чем полный отжиг. Например, в электроэнергетике часто проводят нормализацию сварных стыков тонкостенных труб диаметром до 100 мм.

Закалка — вид термической обработки, заключающийся в нагреве изделий из стали до температуры выше критической точки превращения, выдержке их при этой температуре с последующим быстрым охлаждением (в воде, масле, расплавах солей, растворах кислот или щелочей). В результате закалки повышаются твердость, прочность, пластичность и вязкость материала изделий.

В зависимости от скорости охлаждения при закалке образуются различные структуры: мартенсит, троостит или сорбит.

Мартенсит обеспечивает твердость 500...600 НВ, троостит — 400 НВ, а сорбит - 300 НВ.

Закаливаемость стали зависит от содержания углерода. Углеродистые стали с содержанием углерода менее 0,25 % не закаливаются.

С целью повышения твердости и износостойкости поверхности изделий при сохранении менее твердой сердцевины применяют поверхностную закалку. Нагрев изделий в этом случае выполняют токами высокой частоты или пламенем газовой горелки.

Отпуск — вид термической обработки, заключающийся в медленном нагреве деталей, подвергнутых закалке, до температуры ниже температуры фазового превращения, в выдержке и последующем охлаждении с целью превращения неравновесной структуры в более устойчивую. При отпуске обеспечивается снятие внутренних напряжений, возникающих в результате закалки, и улучшение металлургических свойств, а также повышение коррозионной стойкости при сварке коррозионно-стойких материалов.

Различают низкий, средний и высоким отпуск.

Низкий отпуск проводят при температуре до 250 °С с целью получения мартенсита отпуска и снятия части внутренних напряжений при сохранении твердости.

Средний отпуск проводят при температуре 350...500°С с целью получения троостита отпуска. Такая структура обеспечивает высокое значение предела упругости и повышение ударной вязкости стали,

Высокий отпуск проводят при температуре несколько ниже Ас] (650...700°С) с целью получения сорбита отпуска; в результате обеспечивается наилучшее соотношение между прочностными и пластическими свойствами материала: снижается твердость материала и повышаются его пластичность и ударная вязкость. Продолжительность высокого отпуска составляет от одного до нескольких часов. В результате отпуска уровень остаточных напряжений может быть снижен на 70...90 % по сравнению с исходным состоянием.

Время отпуска занимает несколько часов, а нормализации и закалки — несколько минут.

Для сварных соединений, выполненных из сталей перлитного или мартенситно-ферритного классов, чаще всего применяют высокий отпуск.

При проведении высокого отпуска следует особое внимание обращать на точность соблюдения режимов термообработку поскольку отклонение от них может привести к заметному ухудшению механических свойств материала изделия.

Вопрос 2. Средства нагрева

При проведении термообработки сварных соединений нагрев изделий производят индукционным и радиационным (электропечным и газопламенным) способами.

Нагрев сварных конструкций при их термообработке производят в печах индукционным способом токами промышленной (50 Гц) или повышенной (8 000 Гц) частоты, а также радиационным способом электронагревателями сопротивления или газопламенными горелками.

Индукционный способ заключается в нагреве изделия электрическим током, индуктируемым непосредственно в нагреваемом изделии переменным электромагнитным полем. Нагрев токами промышленной частоты обеспечивает наиболее равномерный нагрев сварных соединений, и поэтому применяется для термообработки изделий любой толщины. Индукционный способ нагрева обычно применяют при закалке. При термообработке сварных соединений труб широко применяют одно- или двухсекционные гибкие индукторы, питание которых осуществляется от сварочных трансформаторов.

Газопламенный способ не обеспечивает равномерного нагрева сварных соединений при толщине стенки свыше 25...30 мм и не дает возможности точно регистрировать величину температуры. Нагрев сварных стыков труб обычно ведут двумя горелками, пламя которых вводят внутрь специальной воронки или манжеты для равномерного распределения теплоты по периметру стыка. Для обеспечения замедленного охлаждения после нагрева стык закрывают асбестовой манжетой. Можно также выполнять нагрев в газовых печах.

Радиационный нагрев электронагревателями сопротивления получил наибольшее распространение. Такой способ нагрева обеспечивает термообработку по заданному режиму при равномерном прогреве изделия.

В зависимости от температуры в рабочей камере различают низкотемпературные (с номинальной температурой 300...700°С), среднетемпературные (с номинальной температурой 700...1250°С) и высокотемпературные (с номинальной температурой свыше 1250°С) электропечи сопротивления.

По конструктивному исполнению различают электропечи сопротивления периодического или непрерывного действия.

В электропечах периодического действия нагреваемые изделия загружают в рабочую камеру и постепенно нагревают в ней, при этом изделия остаются неподвижными. В электропечах непрерывного действия изделия загружают в рабочую камеру с одного конца печи и перемещают постепенно по ее длине, после чего изделия выходят с другого конца печи, нагреты до заданной температуры.

Электропечи периодического действия бывают камерные и шахтные, их применяют при закалке и отпуске сварных изделий. Электропечи для нагрева под закалку имеют нагревательные элементы в виде проволоки или ленты (печи с внешним обогревом тигля) или электродов (печи с внутренним обогревом тигля).

Электропечи непрерывного действия по конструктивному исполнению подразделяются на конвейерные, рольганговые, толкательные, карусельные, барабанные и протяжные.

При термообработке сварных соединении труб широко применяют нагревательные устройства типов ГЭН и ГРЭН. Источниками питания для них могут являться сварочные трансформаторы или сварочные источники постоянного тока. Такие нагреватели могут оснащаться блоками управления термопроцессом, обеспечивающим заданный температурно-временной режим нагрева изделия.

В случае термообработки сварных стыков труб при толщине стенки трубы свыше 25 мм внутри трубы следует устанавливать на расстоянии 300...500 мм от шва тепловые заглушки.

Групповая термообработка сварных стыков труб может выполняться как с помощью индукторов, так и с помощью радиационных и комбинированных электронагревателей. При этом индукторы следует подключать последовательно, а электронагреватели сопротивления — параллельно.

Для измерения температуры до 500 °С применяют ртутные термометры, манометрические и электрические сопротивления. Температуры свыше 500 °С измеряют хромель-алюмелевыми термопарами. Измерение электродвижущей силы термопар производят с помощью милливольтметров, шкала которых проградуирована в °С. Можно применять переносные милливольтметры класса точности 1,0 типов МПП-054, МПП-154, МПП-254 и др. или стационарные класса точности 1,5 типов МПЩПр-54, МПЩПр-55 и др. Фиксирование изменения температуры во времени регистрируют самописцами.

Для точного измерения температуры применяют электромеханические или электронные потенциометры различных типов класса точности 0,5.Такие потенциометры также оснащают самописцами, Регулирование температуры выполняется автоматически с помощью позиционных и пропорциональных электрических или пневматических регуляторов.

Вопрос 3. Выбор видов и параметров режима термической

обработки сварных конструкций

Низкоуглеродистые стали хорошо свариваются всеми способами сварки плавлением. В тех случаях, когда сварная конструкция имеет большую жесткость, или она изготовлена из толстолистового металла, назначают термическую обработку для снятия сварочных напряжений. Как правило, это нормализация при температуре 900...940°С или высокий отпуск при температуре 650...700 °С.

Среднеуглеродистые стали при сварке имеют низкую стойкость металла шва против трещин и склонны к образованию закалочных структур в шве и околошовной зоне. Для сварки такого рода сталей применяют предварительный общий подогрев изделия до температуры 250... 300 °С. После сварки обычно производят закалку и высокий отпуск стали для выравнивания свойств и снятия сварочных напряжений. В зависимости от размеров сварной конструкции и наличия оборудования для термической обработки сварные соединения из среднелегированных сталей могут как подвергаться, так и не подвергаться термической обработке. После термической обработки (закалка + высокий отпуск) сварные соединения становятся равноценными основному металлу по всем физико-химическим свойствам, при условии одинаковости химического состава металла шва и основного металла. В ряде случаев механические свойства шва выше, чем у основного металла из-за благоприятной первичной кристаллизации и большей химической однородности металла шва.

Грубозернистая структура участка перегрева околошовной зоны полностью ликвидируется после термической обработки.

Иногда для повышения механических свойств и снятия сварочных напряжений применяют высокий отпуск (нагрев до 600...650°С) или низкий отпуск (200...300°С). Высокий отпуск для таких сталей более эффективен, так как обеспечивает полное снятие сварочных напряжений и частично устраняет закалку металла шва и околошовной зоны. При этом прочность немного понижается, пластичность и ударная вязкость существенно возрастают. Однако высокий отпуск не обеспечивает перекристаллизации металла и не может полностью устранить структуру закалки.

Низкоуглеродистые хромистые ферритные и мартенситные стали толщиной до 10 мм можно сваривать без предварительного подогрева, не опасаясь появления холодных трещин. Если сварку проводят электродами из хромистой мартен ситной или ферритно-мартенситной стали, то сразу же после сварки, во избежание появления холодных трещин и для повышения пластичности сварного соединения, необходимо провести отпуск при температуре 700... 750 °С. При сварке аустенитными электродами отпуск может проводиться не сразу после сварки.

Низкоуглеродистые хромистые ферритные и мартенситные стали толщиной до 10 мм можно сваривать без предварительного подогрева, не опасаясь появления холодных трещин. Если сварка проводится электродами из хромистой мартенситной или ферритно-мартенситной стали, то сразу же после сварки во избежание появления холодных трещин и для повышения пластичности сварного соединения необходимо провести отпуск при температуре 700...750°С. При сварке аустенитными электродами отпуск может проводиться не сразу после сварки.

Низкоуглеродистые хромистые стали толщиной свыше 10 мм желательно сваривать с предварительным подогревом до 150... 180 °С.

Высокоуглеродистые хромистые стали необходимо сваривать с подогревом независимо от толщины изделия.

В зависимости от размеров сварной конструкции и наличия оборудования для термической обработки е вирные соединения из среднелегированных сталей могут как подвергаться, так и не подвергаться термической обработке.

В случае проведения закалки с высоким отпуском сварные соединения становятся равноценными основному металлу по всем физико-химическим свойствам, при условии одинаковости химического состава металла шва и основного металла. В ряде случаев механические свойства шва выше, чем у основного металла из-за благоприятной первичной кристаллизации и большей химической однородности металла шва.

Иногда для повышения механических свойств и снятия сварочных напряжений в сварных соединениях из среднелегированных сталей применяют высокий (600...650 С) или низкий (200... 300°С) отпуск.

Высокий отпуск более эффективен, так как обеспечивает полное снятие сварочных напряжений и частично устраняет закалку металла шва и околошовной зоны. При этом прочность немного снижается, пластичность и ударная вязкость существенно возрастают. Однако высокий отпуск не обеспечивает перекристаллизации металла и не может полностью устранить структуру закалки. Поэтому при сварке нужно применять меры по измельчению структуры металла шва.

При сварке хромистых жаропрочных сталей, склонных к резкой закалке, возможно образование холодных трещин в шве и в околошовной зоне. Поэтому при сварке сталей такой группы обязательным условием является предварительный и сопутствующий подогрев металла до температуры не менее 250... 300 °С с последующим отпуском после сварки.

Если сварное соединение из жаропрочной стали выполняют с помощью электрошлаковой сварки, то предварительный подогрев металла не обязателен, но необходима незамедлительная термообработка сварного соединения. Режимы предварительного подогрева сталей перед сваркой приведены в таблице. Рекомендуемые виды и режимы термообработки сварных соединении из сталей после сварки приведены в таблице.

Таблица – Режимы предварительного подогрева сталей перед сваркой

Сталь | Температура подогрева, ° С
Низкоуглеродистая | 120... 150 (при многослойной сварке)
Среднеуглеродистая | 150. ..300
Высокоуглеродистая | 300...450
Низколегированная | 200...250
Легированная конструкционная | До 400
Теплоустойчивая | 250...400
Жаропрочная аустенитная | Без подогрева

Таблица – Виды и режимы термообработки сталей после сварки

Сталь | Виды и режимы термообработки
Углеродистая | Отпуск при температуре 650...670 °С, иногда нормализация при температуре 920...940 °С с последующим отпуском
Низколегированная | Отпуск при температуре 670…700 °С
Легированная конструкционная | Отпуск или закалка в зависимости от требований к сварной конструкции
Теплоустойчивая | Отпуск при температуре 720... 740 °С при толщине до 10 мм и при температуре 700... 730 °С при толщине свыше 10 мм
Жаропрочная мартенситного или ферритного классов | Отпуск при температуре 700... 800 °С

Закрепление нового материала:

1. Классифицируйте виды термической обработки металлов.

2.Для каких целей производят нормализацию и закалку сталей?

3. Для каких целей производят отпуск сталей ?

4. Какие параметры выбирают при проведении термической обработки металлов?

5. Какие нагревательные устройства применяют при термической обработке металлов?

6. Какие устройства применяют для измерения температуры при термической обработке металлов?

7. С какой целью производят предварительный подогрев деталей перед сваркой?

Домашнее задание:

Маслов Б.Г. Производство сварных конструкций – М.: Издательский центр «Академия», 2008 стр. 65-72