термическая обработка сварных швов

Когда слышишь ?термическая обработка сварных швов?, многие, даже некоторые сварщики со стажем, представляют себе что-то вроде равномерного прогрева горелкой для снятия напряжений. На деле же — это целая наука, а часто и головная боль. От того, как проведешь эту операцию, зависит не просто внешний вид шва, а судьба всей конструкции. Особенно в тяжелом машиностроении, где мы работаем с массивными поковками и ответственными узлами. Порой кажется, что сам процесс сварки — это только половина дела, а вторая, не менее критичная, начинается после.

Зачем это нужно на самом деле?

Основная цель — не ?улучшить? шов в бытовом понимании, а привести структуру металла в зоне термического влияния (ЗТВ) в равновесное состояние. После сварки там настоящий хаос: мартенсит, остаточный аустенит, высокие внутренние напряжения. Если деталь будет работать под нагрузкой или при низких температурах, этот хаос вылезет боком — в виде холодных трещин, которые могут пойти спустя месяцы. Поэтому мы говорим прежде всего о термической обработке сварных швов как о способе управления рисками, а не о какой-то формальной процедуре из техкарты.

В нашем цеху, где идут поковки для бурового оборудования, часто сваривают детали из легированных сталей типа 30ХГСА или 40Х. Без последующего отпуска — никуда. Но вот что интересно: многие грешат тем, что назначают режимы ?по стандарту? для марки стали, не учитывая конфигурацию самого узла. Толщина стенок, наличие жестких ребер, масса прилегающих элементов — все это диктует свои правила. Одно дело — отпустить шов на пластине, и совсем другое — на массивной крестовине, отлитой и кованой у нас же на производстве.

Был случай с одним заказом для горнодобывающей отрасли. Сваривали кронштейн из поковки 35ХМ. Провели отпуск по стандартному режиму для этой стали. А в эксплуатации через полгода пошли микротрещины именно по границе сплавления. Разбирались. Оказалось, из-за сложной формы и массивности детали в теле самой поковки после нашей же ковки и нормализации остались не до конца снятые напряжения. Сварка их ?разбудила?, а стандартный отпуск шва не затронул глубинные слои основного металла. Пришлось пересматривать весь цикл: вводить предварительный подогрев всей детали и комплексный высокий отпуск всего узла уже после сварки. Дорого, долго, но иначе — брак.

Оборудование и ?чувство металла?

У нас в ООО Цзиюань Юйбэй Тяжёлое литейно-кузнечное производство для этих целей задействуются в основном камерные печи сопротивления. Электрические печи для улучшения, которые есть в нашем парке (о них можно подробнее узнать на https://www.jyybdz.ru), хороши для сквозного прогрева деталей средних габаритов. Но когда шов — часть огромной конструкции, которую целиком в печь не засунешь, в ход идут индукционные установки или термоэлектроды. Тут уже требуется не столько следовать инструкции, сколько понимать, как идет тепло по металлу.

Ключевой параметр, который часто упускают из виду, — скорость нагрева и охлаждения. Особенно для швов на толстостенных элементах. Резкий нагрев может создать дополнительные температурные градиенты и усугубить положение. Мы обычно идем на медленный, ступенчатый нагрев, особенно для деталей после электрошлакового переплава, которые у нас же и производятся. У них и без того крупное зерно, и нужно быть осторожным.

Контроль температуры — отдельная песня. Пирометр — вещь хорошая, но он показывает температуру поверхности. А что творится на глубине, в корне шва? Приходится рассчитывать режимы, исходя из теплопроводности стали и толщины пакета, а еще лучше — закладывать контрольные термопары в технологические отверстия. На одном из ответственных узлов для гидравлического пресса так и делали: сверлили глухое отверстие сбоку от шва и вели нагрев, ориентируясь на показания с глубины. Это дало гораздо более однородную структуру по сечению.

Отжиг, нормализация, отпуск — что и когда?

В технической литературе все разложено по полочкам, но в реальном цеху выбор вида термической обработки сварных швов часто является компромиссом между тем, что должно быть идеально, и тем, что возможно физически и экономически. Полный отжиг для снятия всех напряжений — идеал, но он требует нагрева под 800-900°C и очень медленного охлаждения вместе с печью. Для сварной конструкции из крупной поковки это часто непозволительная роскошь по времени и энергии.

Поэтому чаще всего применяется высокий отпуск (650-680°C). Он снимает основную долю напряжений, превращает хрупкий мартенсит в более пластичный сорбит отпуска, и при этом не так сильно бьет по карману. Но тут есть нюанс: если сварка велась с большим проплавлением и в ЗТВ успел образоваться крупнозернистый участок, один отпуск не исправит эту зернистость. Тут нужна нормализация, то есть нагрев до аустенитного состояния и охлаждение на спокойном воздухе. Но нормализовать можно только если деталь помещается в печь и если после этого не возникнут новые деформации.

Мы для своих изделий, которые проходят полный цикл от электрошлакового переплава до механической обработки, стараемся планировать процесс так, чтобы финальная термическая обработка была общей для основного металла и шва. Например, после сварки крупногабаритной станины, которую мы точили на горизонтальных станках, весь узел отправляется на отпуск в одну из наших печей. Это дает более предсказуемый результат, чем локальный прогрев только швов.

Типичные ошибки и как их ловить

Самая распространенная ошибка — недостаточная или неравномерная зона прогрева. По технологии нужно греть не только шов, но и прилегающий металл на ширину, как минимум, в три толщины от оси шва. На практике же, особенно при работе горелками, эту зону часто не выдерживают. Визуально шов может выглядеть обработанным, а на стыке с основным металлом останется полоса высоких напряжений. Контролировать это сложно, но можно с помощью контроля твердости. Мы после отпуска часто делаем замеры по линии, перпендикулярной шву. Если видим резкий скачок твердости — значит, прогрев был неравномерным.

Другая беда — окисление и обезуглероживание поверхности. В печи с атмосферой воздуха на высоких температурах это неизбежно. Для многих конструкционных элементов это некритично, но если потом идет наплавка ответственных поверхностей или требуется высокая усталостная прочность, этот слой нужно снимать. Иногда приходится после термообработки шва проводить дробеструйную обработку или даже легкую механическую зачистку.

И, конечно, человеческий фактор. Оператор печи может отвлечься, недодержать, передержать. Автоматика хороша, но она не учитывает всех нюансов загрузки печи. Поэтому мы всегда делаем контрольные плавки — кладем в печь вместе с деталью образец-свидетель из той же стали, на котором потом можно проверить и структуру, и твердость. Это старый, но надежный метод, который не раз выручал.

Взаимосвязь с другими процессами на производстве

Термическая обработка сварных швов — это не изолированная операция. Она напрямую зависит от того, что было до, и определяет то, что будет после. Например, если перед сваркой поковка прошла у нас улучшение (закалку+отпуск), то режим термообработки шва должен быть ниже температуры отпуска основного металла, чтобы не ухудшить его свойства. Это как пазл, который нужно собрать.

Или взять механическую обработку. Бывает, что после сварки и отпуска требуется проточить посадочное место. Если не учесть, что обработка снимет часть металла с зоны, упрочненной сваркой и термообработкой, можно получить неоднородную твердость на готовой поверхности. Поэтому технолог, разрабатывающий маршрут, должен видеть всю цепочку. На нашем сайте www.jyybdz.ru указано, что компания охватывает направления от переплава до термической обработки, и это большое преимущество. Потому что все этапы находятся под одним контролем, и можно оперативно вносить корректировки в процесс, зная полную историю изделия.

В итоге, эффективная термообработка шва — это всегда индивидуальный подход, основанный на понимании металлургии, конструкции и условий работы узла. Готовых рецептов нет. Есть базовые принципы, которые потом обрастают десятками поправок и ?если?. И главный инструмент здесь — не печь, а опыт и внимание к деталям, которые не прописать в стандарте. Именно это превращает формальную операцию в ту самую работу, которая гарантирует, что сварное соединение не подведет там, где это важнее всего.