термическая обработка при сварке

Когда говорят о ?термической обработке при сварке?, многие сразу думают о предварительном подогреве перед сваркой. Это, конечно, важно, особенно для толстостенных деталей или легированных сталей, но это лишь часть картины. Гораздо чаще проблемы возникают уже после того, как шов положен и, казалось бы, работа завершена. Я сам долгое время недооценивал роль последующей термической обработки, пока не столкнулся с серией трещин в сварных узлах для пресс-форм. Оказалось, что высокие остаточные напряжения после сварки, особенно в зоне термического влияния, никуда не деваются сами по себе. Они могут ?проявиться? через неделю, месяц или при первой же серьёзной нагрузке. Вот тогда и понимаешь, что термическая обработка при сварке — это не пункт в технологической карте для галочки, а критически важный этап, определяющий срок службы всего изделия.

Предварительный подогрев: больше, чем просто ?прогреть?

Начнём с самого начала. Предварительный подогрев. Цель — не просто поднять температуру металла, чтобы он не был холодным. Главное — замедлить скорость охлаждения сварного шва и зоны вокруг него. Резкое охлаждение — это прямой путь к образованию закалочных структур, например, мартенсита в сталях, которые отличаются высокой твёрдостью и, увы, хрупкостью. В таких зонах риск появления холодных трещин максимален. Температуру подогрева нужно подбирать не ?на глазок?, а исходя из химического состава стали (её эквивалента углерода), толщины, жёсткости конструкции. Для обычной низкоуглеродистой стали может хватить и 100-150°C, а вот для некоторых легированных марок, с которыми мы работаем на ковочном прессе, порой требуется и 300°C, и выше.

Частая ошибка — локальный прогрев только в зоне будущего шва горелкой. Это лучше, чем ничего, но идеально — равномерный прогрев всей массивной детали в печи. У нас на производстве, когда готовим крупную поковку под последующую механическую обработку и сварку ответственных элементов, всегда закладываем эту операцию в печи. Особенно если деталь долго лежала в цехе при низкой температуре. Конденсат влаги на поверхности — ещё один скрытый враг, который может привести к пористости шва.

Здесь стоит сделать отступление про наше оборудование. У нас в ООО Цзиюань Юйбэй есть целый парк нагревательных и отжигательных печей. И когда речь заходит о подготовке крупногабаритных поковок к сварке, мы всегда используем именно их, а не ручные горелки. Это гарантирует равномерность. Конечно, не всегда конструкция позволяет засунуть её целиком в печь, тогда идём на компромисс с локальным прогревом, но строго контролируя температуру термопарами и соблюдая зоны термоизоляции.

Межслойная температура: тот самый ?золотой? интервал

Этот параметр часто путают с температурой предварительного подогрева. Предподогрев — это температура до начала сварки. А межслойная температура — это минимальная температура, которую должна иметь деталь в зоне сварки в процессе наложения каждого последующего валика. И её тоже нужно контролировать. Слишком низкая — возвращаемся к риску закалки и трещин. Слишком высокая — можем перегреть металл, зерно в зоне термического влияния растёт, механические свойства падают. Для многих сталей этот коридор — 200-250°C. Но опять же, всё зависит от марки. В документации на сварочные материалы обычно даются рекомендации, но они общие. На практике, при сварке массивных деталей, тепло отходит медленнее, и межслойная температура может ?ползти? вверх сама по себе. Приходится делать паузы, давать остыть до верхнего предела. Это долго, но необходимо.

Я помню случай со сваркой вала из стали 40Х. Деталь была не самой толстой, но жёсткая. Сварщик, опытный парень, торопился, плохо контролировал межслойную температуру. Визуально шов получился отличный. Но после токарной обработки, когда сняли припуск, открылась продольная трещина прямо по границе сплавления. Микроструктурный анализ показал грубую игольчатую структуру — признак локальной закалки. Вот она, цена спешки и невнимания к температурному режиму между проходами.

Последующая термообработка: снятие напряжений и не только

Вот мы дошли до самого, на мой взгляд, важного. После того как шов остыл, в конструкции ?заморожены? колоссальные остаточные напряжения. Они возникают из-за неравномерного нагрева и охлаждения, разницы в коэффициентах теплового расширения основного металла и наплавленного. Эти напряжения могут достигать значений, близких к пределу текучести материала. Само по себе это не всегда приводит к мгновенному разрушению, но резко снижает сопротивление усталости, способствует коррозионному растрескиванию, может вызвать коробление после механической обработки.

Основной метод борьбы с этим — высокий отпуск, или, как чаще говорят в контексте сварки, термическая обработка для снятия напряжений. Суть: нагрев детали до температуры ниже критической точки Ac1 (обычно 550-650°C для углеродистых и низколегированных сталей), выдержка и медленное охлаждение. При этой температуре металл не претерпевает фазовых превращений, но становится достаточно пластичным, чтобы остаточные напряжения ?релаксировали? — снизились за счёт ползучести. Выдержка рассчитывается исходя из толщины самой массивной части — обычно 1-2 часа на каждые 25 мм толщины, но не менее 1 часа.

Ключевое слово здесь — ?медленное? охлаждение. Если после выдержки открыть печь и дать детали остыть на воздухе, можно снова навести напряжения, уже термические. Охлаждать нужно вместе с печью, часто до температуры 300-400°C, и только потом извлекать. У нас на предприятии для таких операций как раз и используются отжигательные печи с программируемым циклом нагрева и охлаждения. Это позволяет гарантировать результат. Особенно это критично для изделий, которые потом идут на улучшение (закалку с высоким отпуском) — неравномерные остаточные напряжения до закалки могут привести к короблению или даже трещинам в процессе нагрева под закалку.

Особые случаи и материалы

Не всё сводится к высокому отпуску. Бывают ситуации, когда требуется полный отжиг или нормализация. Например, если из-за многопроходной сварки на высоких тепловложениях зона термического влияния сильно перегрелась, и зерно стало очень крупным. Механические свойства, особенно ударная вязкость, в таком месте будут низкими. Чтобы измельчить зерно, может потребоваться нагрев выше Ac3 (нормализация) с последующим охлаждением на воздухе. Это уже более серьёзная операция, меняющая структуру всего изделия, и её нужно закладывать в технологический процесс изначально.

Отдельная история — сварка разнородных сталей или наплавка твёрдыми сплавами. Там температурные режимы пред- и последующей обработки могут кардинально отличаться для основного металла и наплавленного слоя. Иногда идут на компромисс или применяют локальный нагрев (индукционный, например) только зоны шва. Но это высший пилотаж, требующий точных расчётов и экспериментов.

В нашем арсенале на производстве, с его направлением термической обработки, есть возможность проводить и отжиг, и нормализацию, и улучшение. Это даёт гибкость. Когда к нам приходит заказ на изготовление или ремонт сварно-кованого узла (скажем, оправки для ковки или крупной станины), мы сразу просчитываем весь термоцикл: подготовка, сварка, снятие напряжений, финишная механическая обработка. Часто именно возможность провести качественную последующую термообработку в собственных печах является решающим аргументом для клиента, который хочет получить надёжное изделие, а не просто сваренные между собой куски металла.

Контроль: без него всё это теряет смысл

Можно иметь самые совершенные печи и прописать идеальные режимы в карте, но если нет контроля — результат непредсказуем. Контроль температуры — это не просто пирометр, направленный в общем направлении на деталь. Для ответственных работ обязательна установка термопар, причём в нескольких точках: в самой массивной части, в наименее массивной, непосредственно в зоне термического влияния. График нагрева и выдержки должен фиксироваться самописцем.

После термообработки обязателен контроль твёрдости, хотя бы выборочный, в зоне шва и основном металле. Резкий скачок твёрдости может указывать на неправильный режим охлаждения и образование закалочных структур. Для самых ответственных изделий — ультразвуковой контроль на отсутствие трещин уже после всей термообработки. Потому что некоторые дефекты, спровоцированные напряжениями, могут проявиться именно после этого этапа.

В итоге, термическая обработка при сварке — это комплекс взаимосвязанных этапов: грамотный предподогрев, жёсткий контроль межслойной температуры и, что самое главное, правильно проведённая операция по снятию остаточных напряжений или коррекции структуры. Пропуск любого из них — это игра в рулетку с ресурсом изделия. Экономия на этом этапе (а печной цикл — это время и энергия) почти всегда выходит боком. Как показывает наш опыт в ковке и обработке металлов, прочность конструкции определяется самым слабым звеном. И очень часто этим звеном оказывается не сам шов, а его неправильно подготовленное или обработанное окружение.