Термическая обработка сварных конструкций

Отпуск сварных конструкций применяют для изменения структуры, свойств металла и снижения остаточных напряжений.

Вопросу влияния остаточных напряжений и пластических деформаций на прочность сварных конструкций посвящено большое количество экспериментальных и теоретических работ. Однако до настоящего времени в тяжелом машиностроении еще не созданы руководящие технические материалы по обоснованному назначению отпуска сварных конструкций.

Под руководством д-ра техн. наук В. А. Винокурова (МВТУ им. Н. Э. Баумана) на НКМЗ им. В. И. Ленина определены признаки, по которым может быть назначен отпуск сварных конструкций. Для повышения сопротивляемости сталей образованию холодных трещин после сварки отпуску подвергают высокоуглеродистые стали с твердостью металла зон термического влияния НВ 300 и легированные стали с эквивалентным содержанием углерода >0,4% (при фактическом содержании углерода >0,25%).

Одноосные и двуосные остаточные напряжения в сварных соединениях из пластичных металлов без острых конструктивных и технологических концентратов не влияют на их статическую прочность. Трехосные остаточные растягивающие напряжения препятствуют пластической деформации металла и могут вызвать разрушения даже в пластичных металлах. Такие условия возникают, если ширина зоны пластических деформаций меньше толщины металла. Экспериментально установлено, что значительные трехосные напряжения возникают при электрошлаковой сварке прямолинейных соединений деталей толщиной >150 мм и длиной >450 мм. Такие соединения нуждаются в отпуске.

Есть соединения, в которых нет трехосных растягивающих напряжений, но во время сварки в них накапливается большая потенциальная энергия и возникают пластические деформации сжатия, способные вызвать старение металла. Их целесообразно подвергать отпуску. Ориентировочно к таким соединениям можно отнести следующие: стыковые прямолинейные толщиной 140 мм и более, кольцевые толщиной 100 мм и более и стыковые прямолинейные толщиной 80 мм и более, полученные односторонней дуговой сваркой без угловых деформаций.

Отдельную группу составляют сварные соединения, в которых возникают растягивающие напряжения, сопровождающиеся заметной пластической деформацией и старением металла. Сварные конструкции с такими соединениями необходимо отпускать. Ориентировочно к ним можно отнести кольцевые электрошлаковые соединения толщиной >50 мм, кольцевые соединения, полученные дуговой сваркой, прямолинейные соединения толщиной >26 мм, полученные дуговой сваркой и имеющие непровар в корне шва. К этой группе относятся также соединения толщиной >40 мм, у которых корень шва проварен и имеет плавное сопряжение с основным металлом.

Для восстановления пластичности металла и снижения накопленной потенциальной энергии отпуску необходимо подвергать сварные конструкции с соединениями, ударная вязкость которых <3 кгс/см2 при минимальной температуре эксплуатации, если толщина металла больше 8 мм; сварные конструкции, у которых в местах сварки предварительная пластическая деформация в холодном состоянии превышала 5%; сварные конструкции из кипящих сталей с толщиной элементов >30 мм, если они перевозятся при температуре ниже —30° С.

Отпуск для повышения усталостной прочности сварных соединений необходимо назначать лишь на основе исследований. Отпуск может как повышать, так и понижать усталостную прочность.

Термическая обработка в газовых печах является основным видом термической обработки сварных конструкций. Как правило, термическая обработка производится в термических цехах машиностроительных заводов. Разобщенность производства сварных конструкций и их термической обработки приводит к удлинению цикла изготовления сварных узлов, к ухудшению их качества и к удорожанию стоимости. Особые трудности возникают при увеличении объема сварно-литых и сварно-кованых деталей, изготовляемых электрошлаковой сваркой, при которой термическую обработку некоторых изделий следует выполнять через 2—3 ч после окончания сварочного процесса. Эти факторы предопределили создание термических отделений в крупных сварочных цехах.

В состав термического отделения блока цехов сварных конструкций Уралмашзавода входят две уникальные по размерам печи с габаритными размерами выкатных подин 4,5 X 25 и 4,5 X 15 м. Топливом является природный газ с теплотворной способностью 8500 ккал/м3. В связи с большими размерами печей и применением для их нагрева природного газа с большой теплотворной способностью в основу проекта печи 4,5x25 м положена конструкция с рециркуляцией дымовых газов. В существующих печах изделия нагреваются непосредственно пламенем. Особенность этой конструкции печи с выкатным подом заключается в том, что за счет энергии струи воздуха, вводимого через специальные сопла эжекторных устройств, возникает интенсивная рециркуляция газов в рабочем объеме, «способствующая равномерному и точному нагреву изделий при автоматизированном управлении тепловым режимом. Это дает возможность снизить расход топлива на 30—35% по сравнению с печами без рециркуляции.

Печь по длине разделена на пять температурных зон. Топливо сжигается в закрытых топках, расположенных с боковых сторон печи ниже уровня пола, по две топки на зону. В каждой топке устанавливается по три горелки. Температура в топке поддерживается до 1400° С.

При любой температуре в рабочем пространстве печи в топках надежно обеспечивается устойчивое горение газа. На выходе из топок свежие продукты горения подхватываются эжектирующим воздухом и направляются в смесительную цилиндрическую часть эжектора, где происходит смещение свежих топочных газов с избыточным воздухом и рециркулирующими газами. Готовая смесь направляется в рабочее пространство печи под садку.

Нагрев изделий до 600—900° С за счет омывания продуктами сгорания особенно целесообразен для металлоконструкций пространственного типа с большой разнотолщинностью, так как он создает равномерный нагрев.

В периоды потребления максимальной тепловой мощности возможно включение дополнительных верхних горелок, установленных непосредственно в пространстве печи. Верхние горелки не включены в систему автоматического регулирования.

Температура в рабочем пространстве печи регулируется путем изменения расхода топлива, сжигаемого в нижних горелках.

Количество эжектирующего воздуха остается постоянным (35% от необходимого для горения при максимальном расходе топлива нижними горелками).

Рабочее окно печи закрывается заслонкой. Механизм подъема заслонки электрический. Механизм подъема заслонки и механизм выкатки подины сблокированы с отсечкой газа. Печь имеет также систему отсечки газа (со схемой сигнализации) на случай падения давления газа или воздуха.

Выкатная подина является наиболее сложным узлом. Она состоит из сварной рамы, с нижней стороны которой приварены две пары рельсов с зазором для реборд опорных роликов.

В средней части, между парами рельсов, по всей длине подины закреплена рейка с круглыми пальцами. Звездочка привода входит в зацепление с пальцами рейки. При ее вращении подина перекатывается на роликах, установленных также на две пары рельсов, закрепленных в фундаменте.

Конструкция механизма выкатки пода печи 4,5x25 м обеспечивает передвижение на 40 м, что позволяет загружать ее из другого пролета без передачи изделий в пролет печей. Такая компоновка этой уникальной печи в двух пролетах вызвана наличием крана грузоподъемностью 150 т в сборочно-сварочном пролете, куда выходит выкатной под печи. Скорость выкатки пода увеличена до 13 м/мин, тогда как существующие на заводе печи имеют скорость до 6 м/мин. Печь 4,5x15 м аналогична описанной и отличается только длиной рабочей камеры пода печи и не имеет выход в сборочно-сварочный пролет.

Установка термических печей на Уралмашзаводе для потребностей только сварочного производства была выполнена впервые на предприятии тяжелого машиностроения.

Эксплуатация этих печей подтверждает целесообразность организации специализированного термического отделения, полностью устраняющего внутризаводские железнодорожные перевозки, связанные с термической обработкой сварных конструкций.

Снижение внутренних напряжений в сварных конструкциях достигается высоким отпуском, т. е. нагревом всей детали до температуры 600—650° С.

Термическую обработку — отпуск для снятия напряжений в сварных конструкциях из углеродистых сталей и сталей марок ЮХСНД, 09Г2С проводят по следующему режиму:

1) посадка в печь при температуре в печи 450—500° С;

2) нагрев до 500—600° С со скоростью <80° С/ч, температуру нагрева в этих пределах принимают в зависимости от степени опасности коробления: чем меньше опасность деформации, тем выше должна быть температура нагрева;

3) выдержка при 500—600° С в течение 4—8 ч; выдержку при этой температуре устанавливают в зависимости от толщины детали, сложности конфигурации и величины садки;

4) охлаждение с 500—600° С на спокойном воздухе до температуры цеха.

Режим снятия напряжения для особо ответственных сварных конструкций, подверженных короблению при толщине или диаметре изделия до 250 мм, следующий:

1) посадка в печь при температуре печи <450° С;

2) нагрев до 480—550° С со скоростью <80° С/ч;

3) выдержка при 480—550° С в течение 4—8 ч;

4) охлаждение в печи до температуры 100° С со скоростью 60° С/ч.

5) дальнейшее охлаждение на спокойном воздухе до температуры цеха.

При этом, как и в случае снятия напряжений в изделиях из углеродистых сталей, температуру нагрева устанавливают исходя из опасности коробления, а выдержку — в зависимости от толщины и конфигурации детали.

Термическую обработку цилиндров из стали после электрошлаковой сварки проводят в следующей последовательности:

1) посадка в печь при температуре печи <400° С, при этом температура шва после окончания электрошлаковой сварки перед посадкой в печь на нормализацию должна быть 100—150° С;

2) нагрев до температуры 650—760° С со скоростью <60° С/ч;

3) нагрев до температуры 870—880° С со скоростью нагрева <80° С/ч;

4) выдержка при 870—880° С для сравнения в течение 1,2 ч на каждые 100 мм толщины шва (стенки) цилиндра;

5) выдержка при 870—880° С после сравнения в течение 0,6 ч на каждые 100 мм толщины шва;

6) охлаждение на воздухе на выкаченной подине до температуры 300—400° С;

7) посадка в печь при температуре 400° С;

8) выдержка в течение 2 ч;

9) нагрев до 850—860° С со скоростью <80° С/ч;

10) выдержка при 850—860° С для сравнения в течение 0,6 ч на каждые 100 мм толщины шва;

11) выдержка при 850—860° С после сравнения в течение 0,6 ч на каждые 100 мм шва;

12) охлаждение на воздухе со снятием с подины печи до температуры 300—350° С;

13) посадка в печь при температуре 300—350° С;

14) выдержка в течение 2 ч;

15) нагрев до температуры 620—650° С со скоростью <80° С/ч;

16) выдержка при 620—650° С для сравнения в течение 1,2 ч на каждые 100 мм шва;

17) выдержка при 620—650° С после сравнения в течение 8— 16 ч;

18) охлаждение в печи до 300—350° С со скоростью <40° С/ч;

19) дальнейшее охлаждение на спокойном воздухе до температуры цеха.

Для удобства при назначении режима термической обработки литых деталей из сталей 25Л и 35JI, сваренных электрошлаковым способом на Уралмашзаводе, детали разбиты на четыре группы с учетом конфигурации и склонности к короблению.

Режим термической обработки литых деталей из стали 25J1 и 35JI после электрошлаковой сварки

При термической обработке сварных конструкций особое внимание необходимо уделять укладке деталей на под печи, чтобы обеспечить равномерный нагрев и избежать деформаций. При температурах 600—750° С в результате значительного снижения предела текучести стали форма изделия под действием силы тяжести может измениться. Наиболее сильно это проявляется при термической обработке цилиндрических сосудов большого диаметра, когда сосуд вместо круглой формы принимает эллиптическую. Для предотвращения этого внутри сосуда устанавливают временные металлические распорки. Для исключения местных перегревов и недогревов детали или корзины с мелкими деталями нужно укладывать в печь на подкладки высотой 5^350 мм. Расстояние

между боковыми стенками печи и деталями должно быть ^250 мм, а между передней или задней стенкой печи 400 мм. Для уменьшения коробления при термической обработке в сварной конструкции предусматривают дополнительные ребра жесткости, распорки, стяжки.

Термическая обработка сварных соединений индукционным нагревом ТПЧ в последние годы на заводах тяжелого машиностроения при производстве сварных конструкций находит все более широкое применение.

Термическая обработка сварных узлов путем общего нагрева в печах повсеместно распространена в промышленности. Однако этот метод кроме неоспоримых преимуществ имеет следующие существенные недостатки:

а) цикл общей термической обработки крупногабаритных узлов продолжается десятки часов, в некоторых случаях он может длиться несколько суток;

б) для общего нагрева требуется большое количество топлива;

в) для термической обработки крупногабаритных изделий требуются специальные дорогостоящие печи;

г) при термической обработке крупногабаритных изделий во избежание деформации при нагреве требуется особая выкладка на поде печи, этим же объясняется необходимость установки множества технологических распорок в узлах;

д) общий нагрев узла сопровождается интенсивным окалино- образованием, вызывающим необходимость последующей дробеструйной очистки.

За последние годы ЦНИИТмашем совместно с заводами тяжелого машиностроения проведены научно-исследовательские работы по термической обработке сварных конструкций путем местного индукционного нагрева токами промышленной частоты (ТПЧ) сварного соединения вместо общего нагрева всей конструкции.

Способ индукционного нагрева металлов ТПЧ благодаря работам этого института находит все большее применение на заводах отрасли для снятия внутренних напряжений, нормализации и других видов термической обработки сварных конструкций. Он значительно дешевле общей термической обработки и намного сокращает длительность изготовления конструкции.

На Уралмашзаводе первый опыт термической обработки сварных соединений был осуществлен на буровых колоннах шахтопроходческой машины. Звенья буровой колонны длиной 20 м сваривали из отдельных обечаек диаметром 550 мм со стенками толщиной 20 мм. При сварке таких обечаек в сварном шве и околошовной зоне образуются остаточные напряжения, близкие по величине к пределу текучести материала.

Материал обечаек — сталь ЮХСНД, поэтому существенное значение имеет также явление подколки околошовной зоны.

Нагрев до температуры 650° С всего звена буровой колонны для снятия напряжений в сварных швах был нежелателен из-за ее большой длины и неизбежности коробления. Поэтому было принято решение проводить местную индукционную термическую обработку кольцевых швов ТПЧ.

Термическую обработку проводили с помощью разъемного кольцевого индуктора, питающего от понижающего трансформатора мощностью 180 кВ-А. Для увеличения коэффициента мощности установки были использованы конденсаторные батареи. Параметры термической обработки: температура нагрева 620—650° С, ширина зоны нагрева 120 мм, скорость нагрева 400° С/ч, время выдержки при 620—650° С 2 ч, охлаждение после нагрева и выдержка на воздухе под слоем асбеста.

В связи со значительным увеличением объема электрошлаковой сварки и необходимостью изготовления рам уникальных гидропрессов горизонтального действия в блоке цехов сварных конструкций Уралмашзавода был создан специализированный участок для их термической обработки с местным индукционным нагревом ТПЧ. Участок имеет установку с трансформаторной подстанцией, состоящей из силовых трансформаторов мощностью по 750 кВ-А.

Дистанционное управление установкой, контроль и регулирование режима осуществляются с пульта управления. Охлаждающая вода для трансформаторов и индукторов подается от специальной линии, а отводится через сливную систему. Участок оборудован плитами для укладки на них изделий, подвергаемых термической обработке и предварительному нагреву перед сваркой.

Рама станины гидропресса горизонтального действия представляет собой конструкцию прямоугольной формы, сваренную электрошлаковой сваркой из четырех частей. Размеры рамы: длина 14 500 мм, ширина 4000 мм, сечение шва 300x800 мм, материал — сталь 25К, масса 80 т.

После электрошлаковой сварки требовалась нормализация с целью выравнивания кристаллической структуры металла шва и отпуск.

Обычная термическая обработка рамы с общим нагревом в печи была не приемлема из-за возможности деформации рамы.

Для установки рамы на участке термической обработки были изготовлены специальные подстанции. Подставки предварительно выверяли нивелиром по высоте. На расстоянии 800—900 мм вправо и влево от оси сварных швов рама была покрыта асбестовым картоном толщиной слоя 8—15 мм. После нанесения на асбесте осей шва по ним накладывали индукторы на первую пару швов. При этом в зазор между индуктором и деталью прокладывали асбоцементные прокладки толщиной 40 мм.

Нормализацию проводили по следующему режиму нагрев до 950—980° С в течение 4 ч, выдержка при этой температуре 2 ч и охлаждение под слоем асбеста до 350° С.

Отличительной особенностью термической обработки индукционным нагревом является возможность постоянного контроля температуры изделия в определенных точках. Нижние термопары от каждого из двух нормализуемых швов подключали к регулирующим потенциометрам, а остальные через переключатель к милливольтметрам. С помощью регулирующего потенциометра задавалась конечная температура нормализации 950° С.

В случае опережения температуры одного из обрабатываемых швов нагревающий его индуктор отключали и включали вновь после нагрева второго шва до той же температуры.

При превышении разности температур между низом и верхом одного из швов на величину >40° С нагревающий его индуктор также отключали и увеличивали зазор между индукторами и нагревающейся поверхностью. После окончания выдержки все индукторы отключали, питание от трансформаторов переключали на индукторы, расположенные на второй паре швов, и выполняли их нормализацию.

После охлаждения швов до температуры 350—300° С индукторы на швах включали для осуществления отпуска. Предварительно ограничитель регулирующего потенциометра устанавливали на 650° С. Режим отпуска: нагрев до 650—680° С в течение 1,5 ч, выдержка при этой температуре 3 ч, и охлаждение под слоем асбеста до 200° С.

Как видно, основные этапы термической обработки (нагрев, выдержка, охлаждение) как при общем нагреве, так и при местном индукционном нагреве одинаковы, но их цикл по времени разный. Термическая обработка рамы горизонтального пресса в печи с общим нагревом потребовала бы 46—50 ч работы печи, при местном нагреве ТПЧ время термической обработки уменьшилось до 10—12 ч.

Как показали исследования последних лет, при изготовлении крупногабаритных сварных конструкций перспективно снятие напряжений методом вибрационного нагружения.

ИЭС им. Е. О. Патона и НИИПТмашем в производственных условиях вибрационным способом обрабатывались крупногабаритные сварные рамы размером 5140x1865x340 мм.

Исходные остаточные напряжения были максимальными в околошовной зоне и находились на уровне предела текучести основного металла. Вибрационное нагружение рамы проводили на фундаментной чугунной плите, на которой размещали опоры, резиновые амортизаторы и крепежные элементы. Рациональный режим обработки был установлен путем исследования различных схем вибрационного нагружения.

Полученные результаты снижения остаточных напряжений дают основание считать метод вибрационной обработки целесообразным для более широкого применения на заводах тяжелого машиностроения.