термическая обработка металла сварка

Когда говорят про термическую обработку металла сварка, многие сразу представляют себе стандартный график отжига для снятия напряжений. Но на практике, особенно с поковками и литыми заготовками, всё часто упирается в детали, которые в учебниках мельком проходят. Самый частый промах — считать, что раз прошли термическую обработку, шов и околошовная зона гарантированно пришли в норму. А потом удивляются, почему в зоне термовлияния пошли трещины или упала ударная вязкость. У нас в цехе, например, с этим сталкивались не раз.

Отжиг после сварки: не только температура, но и скорость

Взять наш случай с ремонтом массивной поковки вала. Материал — 34ХН1М. Сваривали, конечно, с подогревом. После — назначили высокий отпуск. Казалось бы, всё по регламенту. Но проблема вылезла позже, при механической обработке: в районе перехода от основного металла к наплавленному пошли микрорасслоения. Стали разбираться. Оказалось, печь для отжига, старая добрая камерная, давала неравномерный прогрев по массивности сечения поковки. Верхние слои уже вышли на температуру, а сердцевина ещё нет. И это при том, что термопары стояли по стандарту. Пришлось пересмотреть не просто температуру, а именно скорость нагрева и выдержку, особенно для крупногабаритных деталей. Теперь для таких ответственных вещей используем печи с принудительной циркуляцией и контролем по нескольким точкам. Кстати, у нас на производстве, в ООО Цзиюань Юйбэй Тяжёлое литейно-кузнечное производство, как раз есть такой парк — и отжигательные печи, и электрические печи для улучшения, что позволяет подбирать режим под конкретную геометрию.

Ещё один момент, который часто упускают — это подготовка поверхности перед нагревом. Окалина, остатки шлака, влага — всё это при высоком отпуске может привести к обезуглероживанию или даже локальным окислам в зоне шва. Видел случаи, когда после, казалось бы, правильного термической обработки металла при ультразвуковом контроле выявляли непровары, которые из-за окислой плёнки на границах стали концентраторами напряжений. Поэтому теперь строго следим за зачисткой.

И да, про температуру выдержки. Для низколегированных сталей часто берут 600-650°C, это известно. Но если сварка велась электродами с другим составом, чем основной металл, то температура отпуска должна учитывать и свойства наплавленного металла. Один раз пришлось для одного узла, где сочетались поковка из 40Х и наплавка более легированным материалом, подбирать компромиссный режим, чтобы и твёрдость основного металла не упала ниже допустимой, и напряжения в шве снялись. Делали пробные образцы, смотрели на микроструктуру. В итоге остановились на 620°C с увеличенной выдержкой. Помогло.

Нормализация vs отжиг: когда что действительно нужно

Часто в техзаданиях пишут просто ?провести термическую обработку после сварки?. Но что именно? Для сварных конструкций из углеродистых сталей нормализация порой даёт лучшие результаты, чем полный отжиг, особенно если нужно немного поднять прочностные характеристики околошовной зоны. Но тут есть подводный камень — скорость охлаждения. В теории после нормализации должно быть воздушное охлаждение. Но если деталь массивная, как многие наши поковки, то по факту в центре сечения охлаждение идёт медленнее, почти как при отжиге. Получается неоднородная структура по сечению.

Помню историю с сваркой крышки из стали 25Л. Конструкция большая, коробчатая. После сварки решили провести нормализацию для измельчения зерна. Сделали всё по стандарту, но из-за массивности рёбер жёсткости в некоторых местах пошли трещины. Анализ показал, что в этих местах из-за неравномерного охлаждения возникли новые внутренние напряжения, даже больше, чем сварочные. Пришлось переделывать — сначала отжиг на снятие напряжений, потом уже осторожная нормализация с контролируемым остыванием в печи до определённой температуры. Дорого по времени, но конструкция пошла в работу.

Поэтому сейчас для сложных сварно-литых или сварно-кованых узлов, которые у нас не редкость, мы часто идём по комбинированному пути. И всегда считаем не только режим, но и саму конфигурацию изделия, как оно будет лежать в печи, как будут обтекать его газы. Это уже не просто следование ГОСТу, это именно практическая корректировка.

Предварительный подогрев: его роль и последствия для последующей термообработки

Без предварительного подогрева сейчас, кажется, не варит никто. Но многие рассматривают его как отдельную операцию, не связанную с последующей термической обработкой металла сварка. А зря. Температура подогрева напрямую влияет на структуру, которая формируется в зоне термического влияния сразу после сварки. Если перегреть, может вырасти зерно, и тогда даже последующий высокий отпуск не всегда полностью это исправляет — остаётся склонность к хрупкости.

У нас был опыт со сваркой ответственного фланца из стали 30ХГСА. Подогрев делали на 50°C выше рекомендованного, чтобы ?наверняка? избежать трещин. Сварка прошла идеально. Но после проведения стандартного отпуска при 550°C результаты испытаний на ударную вязкость в ЗТВ оказались на нижней границе допуска. Пришлось поднимать температуру отпуска, чтобы добиться нужной пластичности, но при этом немного потеряли в твёрдости. Вывод — предварительный подогрев нужно чётко дозировать и рассматривать его как первую ступень всего термического цикла обработки сварного соединения.

И ещё про межпроходную температуру. При сварке толстостенных поковок, которые у нас часто идут на валы или опоры, это критично. Если дать металлу остыть между проходами слишком сильно, а потом снова разогреть, это создаёт своеобразный ?термический маятник? в околошовной зоне. Структура получается пёстрой, с разной степенью отпуска. Потом это очень сложно выровнять общей термообработкой. Поэтому график сварки теперь всегда согласуем с технологом по термообработке. В нашем случае, с нашими мощностями по ковке и термической обработке, это проще — все процессы в одном месте, можно оперативно скорректировать.

Контроль качества после термообработки: не только твёрдость

Принято после всего цикла проверять твёрдость по Бринеллю или Роквеллу. Это обязательно. Но для ответственных сварных швов, особенно в динамически нагруженных конструкциях, этого мало. Мы всегда настаиваем на контроле микроструктуры в районе границы сплавления. Именно там могут остаться остаточные аустенит или, наоборот, переотпущенные структуры, которые не выявишь измерением твёрдости.

Для одной партии сварных кованых роторов мы даже ввели в практику вырезку технологических образцов-свидетелей из той же плавки и сваренных тем же способом. Их кладут в печь рядом с изделием и после обработки отправляют в лабораторию на полный металлографический анализ и механические испытания. Да, это дополнительные затраты. Но это даёт уверенность. Особенно когда годовой объём поковок у нас 5000 тонн, и каждая деталь на счету, такой подход оправдан.

Ещё один практический момент — цвета побежалости. После высокого отпуска они, конечно, есть. Но их характер и равномерность — хороший косвенный признак. Если где-то пятно другого оттенка — возможно, был локальный недогрев или, наоборот, перегрев. Это сигнал к более тщательной проверке. Часто так находили участки с плохим контактом изделия с поддоном в печи.

Оборудование и его влияние на результат

Многое упирается в печи. У нас в компании, как указано в описании, есть и нагревательные, и отжигательные, и электрические печи для улучшения. Это не для галочки. Разное оборудование даёт разную точность и воспроизводимость. Например, для снятия сварочных напряжений в крупногабаритных конструкциях лучше подходят камерные печи с принудительной конвекцией — температура выравнивается лучше. А для локальной термообработки швов на уже собранном узле иногда применяли индукционный нагрев, но тут своя специфика с контролем глубины прогрева.

Гидравлический ковочный пресс, который у нас есть, тоже косвенно связан с темой. Потому что качество самой поковки, отсутствие внутренних дефектов типа флокенов, напрямую влияет на то, как поведёт себя металл при сварке и последующем нагреве. Плохая заготовка — никакая термическая обработка металла после сварки не спасёт.

В итоге, что хочу сказать. Термическая обработка металла сварка — это не автономная операция по бумажке. Это звено в цепочке: материал заготовки (у нас это своя поковка или отливка) -> подготовка -> предподогрев -> технология сварки -> режим термообработки -> контроль. Сбой на любом этапе сводит на нет усилия на остальных. И главный вывод из практики — нужно всегда смотреть на изделие в комплексе, а не просто формально закрывать строку в техпроцессе. Иногда лучше потратить время на пробный режим на образце, чем потом иметь проблемы с готовой деталью. У нас, в ООО Цзиюань Юйбэй, с нашим спектром работ от электрошлакового переплава до токарной обработки, такой комплексный подход — не прихоть, а необходимость.