Высокочастотная сварка металлов

А.Н. Шамов, И.В. Лунин, В.Н. Иванов

Политехника, 1991 г.

ЛОКАЛЬНАЯ ТЕРМООБРАБОТКА СВАРНОГО ШВА

Как правило, сварное соединение содержит в зоне сварки (в сварном шве) литую и неравновесную структуру в зонах термического влияния сварки. Чем уже сварное соединение, тем неравновеснее структура в зонах  термического влияния сварки, тем больше влияние этих зон на сварное соединение в целом. При очень узком сварном соединении, характерном для радиочастотной сварки, основной его структурой становится структура закалки, а литая структура практически отсутствует.

Как литая, так и закаленная структуры являются дефектными с точки зрения работоспособности сварного соединения. Особенно опасна так называемая видоанштеттова структура, возникающая в зонах термического влияния сварки в малоуглеродистых  и низколегированных сталях. Резко выраженная игольчатость  феррита в видманштеттовой структуре создает в этих зонах участки с повышенной концентрацией напряжений, приводящие в определенных условиях работы (например, при низких температурах) к возникновению трещин и разрушению сварного изделия.

Совершенно очевидно, что если эти дефекты обратимые, то возможно и необходимо исправить структуру сварки и тем самым повысить надежность и долговечность сварных изделий. Для исправления структурных дефектов сварки применяют способы .термического воздействия на исходный металл до сварки; воздействия на сварное соединение непосредственно ,после сварки с использованием сварочного тепла; способ последующей термической обработки сварных соединений.

По нашему мнению, наиболее эффективным методом исправления структурных дефектов сварки является локальная термическая обработка сварных соединений.

Локальная термическая обработка сварного изделия заключается в местном индукционном нагреве сварного соединения и исходного металла изделия, непосредственно примыкающего к зоне сварки, до температур нормализации металла сварного соединения и последующем охлаждении на воздухе. Локальная нормализация разработана для труб прямошовных и спирально-шовных, сваренных как дуговым методом, так и высокочастотным.

При локальной нормализации необходимо, чтобы зона фазовой перекристаллизации перекрывала зону термического влияния сварки по всему сечению сварного соединения, температура нагрева была достаточной для полноты структурных превращений без увеличения зерен аустенита, а скорость нагрева обеспечивала однородность превращений по всему сечению и скорость охлаждения не приводила к возникновению в нормализуемом сварном соединении неравновесных структур: мартенсита, троостита, игольчатого феррита,  вторичной видманштеттовой структуры.

Во ВНИИТВЧ выполнены исследования по локальной термообработке сварных соединений, полученных электродуговой и ВЧ-сваркой на частотах тока 10 и 440 кГц с индукционным подводом тока   к кромкам трубы.

В первом случае использовался режим нормализации сварного шва. Было установлено, что оптимальная температура нормализации находится в пределах 1050-1110° С, а основным фактором, определяющим качество нормализации, может служить ширина зоны нагрева относительно ширины сварного шва которую легко можно измерить по торцу свариваемой трубы.  Учитывая, что зона нагрева сварного  ограниченная изотермами с Τ = 950 С, (AT) по сечению  имеет трапециевидную форму с углом 45° ратура нагрева 1100 °С, и менее, ширина нагретой зоны с наружного  Частота тока 2500 Гц  стороны должна быть больше ЗОНЫ термического влияния сварки как минимум на двойную толщину стенки трубы (δ). Если принять, что ширина сварного шва составляет до трех толщин стенок трубы, то ширина зоны нагрева  снаружи трубы должна составлять.

Скорость нагрева (или продолжительность нагрева) должна обеспечивать перепад температуры по сечению не более 70° С. На графике рис. 6.1 приведена зависимость времени нагрева от толщины стенки трубы при одностороннем нагреве. График подтвержден экспериментально при нагреве пластин толщиной от 8 до 28 мм при постоянной мощности, потребляемой индуктором (установленной в начале нагрева), конечном перепаде температуры по сечению в пределах 50—70° С, температуре поверхности не свыше 1100°

Результаты исследований рекомендуется принимать при выборе (конструировании) индукторов и источников питания, ибо в этом случае обеспечивается устранение структурных дефектов, сварки. Установлено большое влияние на результаты скорости последующего охлаждения сварного шва. При определенном сочетании величины аустенитногозерна и скорости охлаждения в интервале температурстановится возможным возникновение видманштеттовой структуры.

Важно, чтобы в интервале температур аустенитно-ферритного превращения (850—700° С) скорости охлаждения не превышали критических для ее возникновения.

Поскольку размер аустенитного зерна к моменту начала охлаждения зависит от исходной структуры металла перед нормализацией, максимальной температуры, нагрева и времени аустенизации (времени пребывания металла в области температур разброс его значений может быть значительным. Анализ микроструктур нормализованного сварного соединения труб из стали марок 17ГС, 17Г2СФ и 15ГСТЮ свидетельствует о том, что размер аустенитного зерна может колебаться от 5-го до 9-го балла. При этом для предотвращения образования видманштеттовой структуры необходимо, чтобы скорость охлаждения в интервале температур

аустенитном зерне 5-го балла и не более 10° С/с при аустенитном зерне 9-го балла.

Тот факт, что в ряде экспериментов по нормализации сварного соединения в нем обнаруживалась втцрнчная видманштеттова структура, чрезвычайно опасная и еще труднее устранимая, свидетельствует об исключительной важности установления оптимальных параметров нормализации и с точки зрения подавлений этого опасного процесса.