После сварки отжиг или отпуск

Опубликовано: 15.06.2025

Металлоизделия, используемые в любых отраслях хозяйства должны отвечать требованиям устойчивости к износу. Для этого используется воздействие высокими температурами, в результате чего усиливаются нужные эксплуатационные свойства. Этот процесс называется термической обработкой.

Термообработка представляет собой комплекс операций нагрева, охлаждения и выдержки металлических твердых сплавов для получения необходимых свойств благодаря изменению структуры и внутреннего строения. Термическая обработка применяется в качестве промежуточной операции для того, чтобы улучшить обрабатываемость резанием, давлением, либо в качестве окончательной операции технологического процесса, которая обеспечивает требуемый уровень свойств детали.

Различные методы закаливания применялись с давних пор: мастера погружали нагретую металлическую полоску в вино, в масло, в воду. Для охлаждения кузнецы порой применяли и достаточно интересные способы, например садились на коня и мчались, охлаждая изделие в воздухе.

По способу совершения термическая обработка бывает следующих видов:

-Термическая (нормализация, закалка, отпуск, отжиг, старение, криогенная обработка).

-Термо-механическая. Включает обработку высокими температурами в сочетании с механическим воздействием на сплав.

-Химико-термическая. Подразумевает термическую обработку металла с последующим обогащением поверхности изделия химическими элементами (углеродом, азотом, хромом и др.).

Основные вид ы термической обработки:

1. Закалка. Представляет собой вид термической обработки разных материалов (металлы, стекло), состоящий в нагреве их выше критической температуры с быстрым последующим охлаждением. Выполняется для получения неравновесных структур с повышенной скоростью охлаждения. Закалка может быть как с полиморфным превращением, так и без полиморфного превращения.

2. Отпуск – это технологический процесс, суть которого заключается в термической обработке закалённого на мартенсит металла либо сплава, основными процессами при котором являются распад мартенсита, рекристаллизация и полигонизация. Проводится с целью снятия внутренних напряжений, для придания материалу необходимых эксплуатационных и механических свойств.

3. Нормализация. В данном случае изделие нагревается до аустенитного состояния и потом охлажда е т ся на спокойном воздухе. В результате нормализации снижаются внутренние напряжения, выполняется перекристаллизация стали. В сравнении с отжигом, нормализация – процесс более короткий и более производительны й .

4. Отжиг. Представляет собой операцию термической обработки, заключающуюся в нагреве стали, выдержке при данной температуре и последующем медленном охлаждении вместе с печью. В результате отжига образуется устойчивая структура, свободная от остаточных напряжений. Отжиг является одной из важнейших массовых операций термической обработки стали.

1) Снижение твердости и повышение пластичности для облегчения обработки металлов резанием;

2) Уменьшение внутреннего напряжения, возникающего после обработки давлением (ковка, штамповка), механической обработки и т. д.;

3) Снятие хрупкости и повышение сопротивляемости ударной вязкости;

4) Устранение структурной неоднородности состава материала, возникающей при затвердевании отливки в результате ликвации.

Для цветных сплавов (алюминиевые, медные, титановые) также широко применяется термическая обработка. Цветные сплавы подвергают как разупрочняющей, так и упрочняющей термической обработке, в зависимости от необходимых свойств и области применения.

Термическая обработка металлов и сплавов является основным технологическим процессом в чёрной и цветной металлургии. На данный момент в распоряжении технических специалистов множество методов термообработки, позволяющих добиться нужных свойств каждого вида обрабатываемых сплавов. Для каждого металла свойственна своя критическая температура, а это значит, что термообработка должна производиться с учётом структурных и физико-химических особенностей вещества. В конечном итоге это позволит не только достичь нужных результатов, но и в значительной степени рационализировать производственные процессы.

Основные способы обработки сварных соединений

Наиболее распространенными стали следующие методы обработки сварного шва:

Термическая. Применяется для ликвидации внутренних остаточных напряжений. Проводится путем локального или общего прогрева.
Механическая. Зачистка сварных швов после сварки удаляет шлаки и окалину с поверхности соединения.
Химическая. Состоит из обезжиривания и покрытия защитным слоем. Препятствует возникновению коррозионных очагов. Метод используют для обработки материалов, подверженных коррозии, которым предстоит работать в активных средах.

Способ воздействия выбирают, применяясь к техническим требованиям к конструкции и условиям ее эксплуатации. Часто применяют последовательно все три метода.

Термообработка

Термическая обработка сварных соединений обязательно проводится после сварки тонкостенных изделий, особо подверженных деформациям под воздействием внутренних напряжений. К таким конструкциям относятся трубопроводы, различные емкости, сосуды давления.

Термическая обработка сварного шва

Проводится термообработка и для большинства ответственных конструкций, таких, как корпуса атомных и химических реакторов.

Заключается термообработка в нагреве детали и ее последующем охлаждении по строго заданному температурному графику.

Зачем нужна

В ходе сварки нагревается небольшая область детали в районе шва. Неравномерный прогрев и приводит к возникновению внутренних напряжений, способных деформировать или даже разрушить деталь. Кроме того, в зоне неравномерного нагрева изменяется структура кристаллической решетки металла, что приводит к ухудшению его физико-механических и химических свойств.

Рядом со сварным швом зона закалки, в которой прочность повышена, а упругость, наоборот, понижена. Ее окружает зона разупрочнения, в которой пластичность сохраняется, а прочность становится ниже, чем была до сваривания.

Термическая обработка сварных соединений призвана восстановить внутреннее строение металла и его свойства, вернуть характеристики прочности, пластичности и коррозионной устойчивости к проектным значениям.

Особенности проведения

Обработка осуществляется при высоких температурных значениях, в диапазоне 600- 1000 °С. Это позволяет преодолеть негативные последствия неравномерного нагрева и приблизить структуру шва и околошовной зоны к структуре самой детали.

Обработка проходит в три стадии:

Нагревается область рядом со швом.
Конструкция выдерживается некоторое время в нагретом состоянии.
Изделие охлаждается в соответствии с графиком обработки.

Процесс термообработки швов на трубопроводе

Существует несколько видов обработки сварного шва. Выбор зависит от конфигурации конструкции, толщины детали и цели, которую собираются достигнуть.

Для каждого вида обработки применяется свой специфический график нагрева, выдержки и охлаждения.

Достоинства и недостатки

К достоинствам обработки нагревом относят:

Восстановление целевых характеристик прочности и пластичности;
Снятие внутренних напряжений, обеспечение долговечности шва и всей конструкции;
Улучшение, при необходимости, этих показателей.

Отрицательные моменты при проведении обработки нагревом следующие:

В большинстве случаев преимущества перевешивают недостатки.

Что подвергают обработке

Термообработке подвергают сварные швы в ответственных конструкциях. Сюда входят

магистральные трубопроводы
сварные конструкции различных механизмов и станков, испытывающих высокие нагрузки
изделия, которым предстоит работать в сложных условиях эксплуатации.

При термообработке сравнительно небольших изделий используют муфельные печи.

Самодельная муфельная печь

Для обработки нагревом габаритных конструкций применяют нагрев пламенем газовых горелок или индукционный способ. В отдельных случаях применяют радиационный метод.

Термообработку для повышения коррозионной стойкости следует проводить по возможности скорее по окончании сварки.

Параметры проведения процесса

Продолжительность процесса во многом определяется маркой сплава и толщиной заготовки. Для хром-молибденовых сплавов применяют индукционный или радиационный способы нагрева. С увеличением толщины типовая продолжительность нагрева (в минутах) растет:

Толщина детали, см	Радиационный	Индукционный
2,0	40	25
2,0-2,5	70	40
2,5-3,0	100	40
3,0-3,5	120	60
3,5-4,5	140	70
4,5-6,0	150	90
6,0-8,0	160	110

Индукционный способ требует меньшего времени на обработку, но отличается большими энергозатратами. Перед обработкой следует обязательно выполнить зачистку сварочного шва.

Используемое оборудование

Термообработка сварных швов выполняется с использованием нескольких основных способов, каждый требует своего набора оборудования:

Индукционный. Требует генератора высокочастотного переменного тока большой мощности. Нагревательным элементом является катушка индуктивности, намотанная поверх участка детали, подлежащего нагреву.
Радиационный. Используется инфракрасное излучение от нагретой нихромовой проволоки, через которую пропускается сильный электрический ток. Требует мощных источников тока. Может применяться для прогрева материалов со слабыми электромагнитными свойствами.
Газовый. Наиболее экономичный по энергозатратам способ. Используется специальная горелка. Факел пламени формируется так, чтобы равномерно прогневать зону термообработки.

Выбор метода нагрева проводят, сопоставляя цель обработки, толщину конструкций, характеристики материала и экономические соображения.

Виды термической обработки

Виды термообработки сварных швов различаются по своей цели. Специалисты отличают следующие процессы:

Индукционный отпуск сварного шва

Подготовка труб к нормализации сварного шва

Как правило, перед термообработкой проводится зачистка сварного соединения.

Контроль температуры

При проведении термообработки ключевое значение имеет температура нагрева конструкции. Для контроля температуры применяют:

Термокарандаш и термокраска. Представляют собой химическое соединение, меняющее цвет по мере изменения температуры. Наносятся на поверхность изделия.
Тепловизоры и пирометры. Электронные устройства, дистанционно измеряющие температуру.

Термокарандаши и термокраска – традиционные средства, достаточно трудоемкие в применения и требующие постоянного визуального контроля со стороны оператора и его оперативного вмешательства в случае выхода параметров за пределы допустимых значений.

Тепловизоры и пирометры обладают большей точностью и могут быть встроены в автоматическую систему поддержания постоянной температуры.

Другие виды обработки

Кроме термообработки, широко используются также механические и химические виды очистки сварных швов.

Механическая

Проводится с использование проволочных щеток или абразивных дисков. В промышленных условиях щетка, диск или лепестковая абразивная насадка закрепляет в угловой шлифовальной машинке (в быту называемой «болгарка»)

Способом механической зачистки с поверхности соединения удаляют шлаки, окалину, брызги застывшего металла и оксидную пленку.

Механическая обработка сварного шва

Зачистка сварного шва после сварки применяется перед термообработкой или покраской.

Химическая

Призвана удалить с поверхности шва следы жира, смазки, оксидные пленки и другие загрязнения. Проводится перед нанесением на конструкцию покрытий, предохраняющих от коррозии.

Химическая обработка сварного шва

Химическая обработка металла проводится химически активными веществами, многие из которых пожароопасны и могут причинить серьезный вред здоровью. Поэтому следует строго соблюдать правила техники безопасности.

Термическую обработку применяют для устранения напряжений, оставшихся в изделии после сварки, а также для улучшения структуры металла сварного шва. После сварки или в процессе сварки применяют такие виды термической обработки, как отжиг, нормализация, отпуск.

Нагрев при отжиге изделия в предварительной печи ведут постепенно. Для низко и среднеуглеродистых сталей температура достигает 600-680°С. При этой температуре сталь становится пластичной, и напряжения снижаются. После нагрева следует выдержка при достигнутой температуре из расчета 2,5 минуты на 1 мм толщины свариваемой детали, но не менее 30 минут. Затем изделие охлаждается вместе с печью.

Существуют и другие виды отжига: местный и полный отжиг. Режимы отжигов выбирают согласно справочной литературе. Для разных сталей применяют свои технологические параметры отжига.

Нормализация отличается от отжига тем, что после отжига сваренную конструкцию охлаждают на спокойном воздухе. После нормализации сохраняется мелкозернистая структура металла, что позволяет обеспечить его относительно высокую прочность и твердость, но без напряженного состояния.

Стали с высоким содержанием углерода в процессе сварки закаливаются, возрастает их твердость и хрупкость. Такие изделия из углеродистых сталей подвергают нормализации с последующим отпуском. В этом случае нагревание производят до 400-700°С, и после этого сваренные детали медленно охлаждают.

При газовой сварке сталей термическая обработка служит средством повышения пластичности металла шва. В некоторых случаях участки шва нагревают до светло-красного цвета каления и в этом состоянии проковывают. Зерна металла измельчаются, пластичность и вязкость повышаются. Во избежание появления наклепа (новое напряженное состояние) проковку следует прекратить при остывании металла до темно-красного цвета. После проковки необходимо провести повторную нормализацию.

Режимы термообработки стали

Посадка в «холодную» или нагретую печь до Т=200°С.
Нагрев с производственной скоростью до Т=300°С.
Выдержка при температуре 300+25°С на протяжении 1-2 часов.
Нагрев со скоростью не более 70°С в час до Т=590°С.
Выдержка при температуре 590°С ± 15°С назначается из расчета 1 час на каждые 25 мм наибольшего сечения сварного шва конструкции с округлением в большую сторону до целого часа.

В случае заварки выборок выборка берется из расчета 1 час на 25 мм глубины выборки. Началом выдержки следует считать время, когда показания печных или подставных термопар будут находиться в интервале 590°С ± 15°С. Примечание: При наличии в садке конструкций разных толщин выдержка назначается по максимальной толщине.

Термическая обработка аустенитных сталей, типа Х18Н10Т после сварки, для которых требуется испытание на МКК

Примечание: Время выдержки выбирается по наибольшей толщине в конструкции.

Термическая обработка для конструкций из углеродистых стали и сталей 08Х13 после сварки электродами ЭА-39519

Термическая обработка для конструкций из углеродистых и низколегированных сталей марок СТ3сп, Ст3пс, 20, 25, 30, 25Л, ЗОЛ, 20К, 22К, 09Г2С, 15ГС, 16ГС, 20ГСЛ, 10ХСНД, 08ГДНФЛ

Посадка в «холодную» или нагретую печь до Т=200°С.
Нагрев с производственной скоростью до Т=300°С.
Выдержка при температуре 300°С ± 25°С на протяжении 1-2 часов.
Нагрев со скоростью не более 70°С в час до Т=590°С.
Выдержка при температуре 590°С ± 15°С назначается из расчета 1 час на каждые 25 мм наибольшего сечения сварного шва конструкции с округлением в большую сторону до целого часа.

В случае заварки выборок выборка берется из расчета 1 час на 25 мм глубины выборки. Началом выдержки следует считать время, когда показания печных или подставных термопар будут находиться в интервале 590°С ± 15°С. Примечание: При наличии в садке конструкций разных толщин, выдержка назначается по максимальной толщине.

Промежуточная термическая обработка для конструкций из стали ОбХ12НЗД и О6Х12НЗД-Л, после сварки электродами ЦЛ-51

Примечание: Время выдержки выбирается по наибольшей толщине в конструкции.

Окончательная термическая обработка для конструкций из стали ОБХ12НЗД и О6Х12НЗД-Л, после сварки электродами ЦЛ-51

Термическая обработка для конструкций из стали 08Х13 и 12Х13, после сварки электродами марки Э-12Х13

Примечание: Время выдержки выбирается по наибольшей толщине в конструкции.

По способу совершения термическая обработка бывает следующих видов:

-Термическая (нормализация, закалка, отпуск, отжиг, старение, криогенная обработка).

Основные вид ы термической обработки:

1) Снижение твердости и повышение пластичности для облегчения обработки металлов резанием;

3) Снятие хрупкости и повышение сопротивляемости ударной вязкости;

Сварка

Участки свариваемых деталей, расположенные в зоне и вокруг шва, подвергаются неравномерным температурным перепадам — моментально нагреваются до состояния плавления и интенсивно остывают. Вследствие таких процессов металл сначала начинает расширяться. Он оказывает воздействие на ближайшие зоны, имеющие совсем другую температуру. Влияние расширяющейся стали будет выше, чем меньше теплопроводность металла. В результате возникает мощные напряжения, приводящие к деформации материала. Они негативно влияют на результат работы, поэтому необходимо понимать, каким образом снять напряжение металла после сварки.

Остаточные напряжения

В металле напряжения возникают во время сварки и по завершению процесса. В последнем случае они формируются по мере охлаждения детали и называются остаточными. Такие напряжения практически во всех конструкционных материалах присутствуют в течение всего эксплуатационного периода. Они представляют наибольшую опасность для изделий, так как являются причиной изменения габаритов и формы деталей. Поэтому так важно снять напряжение в металле после сварки. Это позволит исключить вероятность изменения внешнего вида изделия и уменьшить степень снижения его эксплуатационных характеристик. Если же остаточные напряжения в материале слишком большие, то существует вероятность, что деталь невозможно будет использовать.

Формоизменение изделий, изготовленных с помощью сварки, происходит из-за перемещения соединенных элементов, так как в каждой точке металла появляются деформации. Существуют несколько видов изменения формы:

продольные укорочения, образующиеся в результате усадки в одноименном направлении;
изгиб плоскости;
поперечные укорочения; возникающие тоже в результате усадки в соответствующем направлении;
угловые деформации, когда выполняются тавровые и стоковые сочленения;
формоизменения балочных конструкций, происходящие из-за деформации поперечных и продольных сварочных швов (в редких случаях происходит закручивание балок).

Чтобы избежать изменения формы изделия любого типа нужно конкретно знать, как снять напряжение в металле после сварки. Существует несколько способов. Приемы применяются одновременно или по отдельности.

Термообработка

Одним из вариантов снятия напряжения является высокотемпературный отпуск. Техническое мероприятие применяется во время сочленения углеродистых сплавов. Оно осуществляется за счет нагрева до 630-650 °C. После выдержки температуры, длящейся 2-3 минуты на 1 мм толщины стали, деталь охлаждается.

Снижение температуры изделия проводят медленно. Это позволяет избежать повторного образования напряжения. Скоростной параметр зависит от состава металла. Он уменьшается с увеличением в сплаве элементов, влияющих на его закалку.

Аргонодуговой прием

Смысл аргонодуговой обработки состоит в расплавление участка, находящегося между сварным швом и основным металлом. Процесс выполняется неплавящимся электродным стержнем в аргоновой среде. Такое воздействие позволяет избавиться от напряжений в переходной зоне. Однако в дальнейшем происходит кристаллизация, в результате которой они снова появляются. Величина вновь появившихся напряжений существенно меньше начальных значений. Разница достигает 70%.

Совет! Используя такой прием можно не только уменьшить напряжение, но и получить плавный переход на участке, расположенным между швом и металлом конструкции. Благодаря этому у металлоконструкции повышается прочностная характеристика.

Проковка сварочного шва

Технологическая операция проводится с целью создания дополнительных деформаций. Они позволяют полностью избавиться от остаточных напряжений. Проковка осуществляется, когда сочленение остывает. Мероприятие проводится, если температура превышает 450 °C. Проковывать соединение также можно при температурном режиме меньше 150 °C. В других случаях процесс не выполняется, так как существует риск появления надрывов.

Операция проводится ручным методом при использовании молотка. Его масса составляет в среднем 1000 г. Разрешено применять пневматический молоток. Когда осуществляется проковка многослойных сочленений, мероприятие не проводится для 1-го и последнего слоя, так как существует большая вероятность образование трещин. Способ позволяет избавиться от напряженного состояния во время устранения дефектов и при создании замыкающего сочленения.

Механическая правка шва

Сваривая металл толщиной до 3 мм, правка осуществляется ручным способом при использовании молотка. Для стали, имеющей большую толщину, применяется пресс. Механическая правка используется крайне редко. Вместо нее чаще применяют термический способ.

Особенностью механической правки является появление на металле налета. У обработанного участка возрастает текучесть, и снижается пластичность металла. Изменения свойств стали приводят к уменьшению прочности конструкции.

Термическая правка

Этот метод подразумевает под собой нагрев сочленения при использовании газового пламени. Может также применяться электродуга, образующаяся от неплавящегося электродного стержня. Нагрев материала осуществляется до 750-850 °C. Затем происходит быстрое расширение сплава. Однако рядом расположенные слои не дают металлу расширяться. Из-за этого возникает пластическая деформация нагретой зоны. Когда происходит охлаждение, предварительно нагретый участок начинает сжиматься. В итоге деформация полностью или частично устраняется.

Зная, как снять напряжение металла после сварки, удастся уменьшить вероятность снижения прочности сварных конструкций. Это особенно важно в условиях, которые способствуют появлению хрупкого разрушения шва. Используя вышеописанные методы, удается избежать дефектов при эксплуатации сварной металлоконструкции.

Читайте также: