Технология термической обработки металлов с применением индукционного нагрева

Головин Г.Ф., Зимин Н.В.

Машиностроение, 1990 г.

5.5. ИНДУКЦИОННАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Сварка, каким бы методом она не осуществлялась, всегда приводит к образованию в сварном соединении дефектных структур, могущих довести готовое изделие в определенных условиях эксплуатации до разрушения.

Дефектна литая структура самого шва. Она становится особенно опасной, если образуется в условиях ускоренного охлаждения сварного соединения, так как при этом возрастает ее неравномерность, появляются зерна игольчатой формы, увеличивается количество дефектов по границам зерен и т. д.

Дефектна структура границы сварного шва с основным металлом, так как в ней сосредоточены различного рода примеси, проникающие как из зоны расплава, так и из основного металла. В ней иногда наблюдается перераспределение элементов, входящих в состав основного металла изделия и металла шва.

Очень неудовлетворительна структура околошовной зоны. Наряду с игольчатым ферритом и видманштеттовой структурой в этой зоне возможно образование промежуточных структур и даже мартенсита. Наконец, в зонах термического влияния сварки изделий из некоторых марок стали по границам зерен могут выпадать хрупкие структурные составляющие, снижающие сопротивление разрушению этих зон.

Все перечисленные дефектные структуры ослабляют сварное соединение н резко снижают надежность сварного изделия, поэтому исправление дефектов необходимо.

Путей исправления дефектных структур сварки несколько: воздействие на исходный металл перед сваркой, так чтобы формирование структуры сварного соединения шло в иных температурно-временных условиях; воздействие на сварное соединение в процессе его образования или непосредственно после сварки с использованием сварочного тепла; воздействие на сварное соединение путем последующей термической обработки. Первый способ наиболее эффективен для изделий, получаемых методом высокочастотной сварки. Второй и третий способы применимы к изделиям, получаемым любым способом сварки.

Наиболее простой метод воздействия на исходный металл перед сваркой — предварительный его нагрев до температуры, не превышающей

Ac1 в целях замедления теплоотвода из зоны сварного соединения при охлаждении изделия после сварки. Предварительный нагрев металла позволяет предотвратить образование закалочных структур в сварном соединении мало- и среднеуглеродистых нелегированных и низколегированных сталей, обеспечивает получение в нем достаточно равновесной ферритоперлитной структуры с минимальной твердостью. В результате такого нагрева свойства сварного соединения становятся близкими к свойствам основного металла изделия.

Помимо того что этот способ позволяет отказаться от последующей термической обработки готовых изделий, предварительный нагрев металла заготовок существенно облегчает условия формирования изделия; расширяет диапазон марок сталей, способных свариваться высокочастотным методом, уменьшает затраты энергии на сварку, повышает производительность процесса сварки.

Технология разрабатывалась применительно к трубам из сталей 45, 35Х, 30ХГСА, 65Г и У7. Оптимальная температура предварительного нагрева выбиралась по результатам анализа структуры и твердости сварных соединений труб, их испытаний на раздачу конусом, ударную вязкость и разрушение внутренним гидравлическим давлением.

Как видно из рис. 5.4, с повышением температуры предварительного нагрева штрипса непрерывно снижается твердость всего сварного соединения, а также сглаживается разница в твердости шва и зоны термического влияния сварки. При этом минимальная разница в твердости достигается лишь при определенных температурах подогрева (для стали 35Х при t_пред =640-700 °С), так же как и наиболее приемлемая (равновесная) структура.

При оптимальных температурах предварительного нагрева штрипса из стали всех исследовавшихся марок обеспечиваются максимальная раздача трубы конусом, разрушение практически всех патрубков по основному металлу, минимальная разница в ударной вязкости всех зон сварного соединения и разрушение натурных образцов труб по основному металлу с превышением разрушающего давления (относительно испытательного) в 1,5—1,7 раза при испытаниях внутренним гидравлическим давлением. Исключительно важно, что благодаря предварительному нагреву штрипса удается получить сварные трубы из таких сталей, как 65Г и У7.

Исправление дефектных структур сварки воздействием на сварное соединение в процессе его образования или непосредственно после сварки с использованием сварочного тепла заключается в изменении температурно-временных параметров охлаждения за счет использования пластической деформации, электромагнитного и ультразвукового поля и т. д.

Был предложен и проверен экспериментально способ пластического деформирования сварного соединения в период его остывания после сварки в интервале температур 1400—900 °С с одновременным принудительным охлаждением [α_экн — 10000-15000 Вт/(м²-°С)] деформируемой зоны для предотвращения протекания процессов собирательной и вторичной рекристаллизации аустенита и получения мелкозернистой ферритоперлитной структуры в сварном соединении. На полосах толщиной до 10 мм из стали 17ГС после сварки данным способом получили в сварном соединении равновесную ферритоперлитную смесь по всему сечению с размером зерна № 8—9 по ГОСТ 5639—82* и свойства, идентичные свойствам основного металла.

Самым простым и широко применяемым в производстве способом исправления структуры является последующая термическая обработка или всего сварного изделия (объемная термическая обработка), или одного сварного соединения изделия (локальная термическая обработка). Следует, однако, иметь в виду, что оба эти варианта требуют значительных дополнительных затрат энергии и, что особенно важно, не для всех методов сварки оказываются приемлемыми: если при охлаждении после сварки в сварном соединении образуется мартенсит, то в процессе транспортировки изделия к месту термической обработки и даже просто за время паузы между операциями сварки и термической обработки в нем могут возникнуть трещины, и тогда любой вид термической обработки будет бесполезен.

Об эффективности объемной термической обработки сварных изделий подробно говорилось в предыдущем параграфе. Отмечалось, что в результате такой обработки сварное соединение приобретает свойства, достаточно близкие к свойствам основного металла трубы, хотя и не идентичные им. Однако с точки зрения работоспособности трубы