Obróbka cieplna złączy spawanych

1. Rodzaje stosowanych zabiegów cieplnych w budowie konstrukcji spawanych

Elementy konstrukcji spawanych w zależności od materiału z jakiego są wykonywane i procesu technologicznego są poddawane różnym rodzajom obróbki cieplnej. W zasadzie wszystkie operacje obróbki cieplnej można podzielić na:

• obróbkę cieplną wstępną,

• obróbkę cieplną pośrednią,

• obróbkę cieplną końcową,

Obróbka cieplna wstępna. Zadaniem tej obróbki jest optymalne przygotowanie materiału do spawania - ujednorodnienie składu chemicznego i struktury, usunięcie naprężeń własnych (np. odlewniczych, walcowniczych, hartowniczych) i uzyskanie optymalnych własności mechanicznych. W zakresie obróbki cieplnej wstępnej mogą być stosowane zabiegi cieplne podane w tabl. 8,1.

We wstępnej obróbce cieplnej stale niestopowe, które przed spawaniem były przerabiane plastycznie, poddaje się najczęściej wyżarzaniu normalizacyjnemu. Wyżarzanie zupełne, niezupełne i odprężające stosuje się do stali o wysokiej wytrzymałości, w celu częściowej zmiany własności mechanicznych oraz usunięcia naprężeń własnych - szczególnie jeżeli przed spawaniem mają być poddane obróbce skrawaniem. Hartowaniu i odpuszczaniu poddawane są stale nie obrabiane po spawaniu. Przesycanie stosuje się dla stali wysokostopowych, np. austenitycznych.

Tablica 8.1. Rodzaje obróbki cieplnej stosowane w budowie konstrukcji spawanych

Rodzaj obróbki cieplnej	Sposób przeprowadzania obróbki
Wyżarzanie normalizujące	Nagrzanie do temperatury pow. Ac1 lub A c c m, wygrzanie, i studzenie w spokojnym powietrzu, w celu uzyskania drobnego ziarna lub równomiernego rozłożenia składników strukturalnych
Wyżarzanie zupełne	Nagrzanie do temperatury nieznacznie powyżej Ac3 lub A ccm, wygrzanie w tej temperaturze i studzenie do temperatury poniżej Ar1 w celu zupełnego przekrystalizowania
Wyżarzanie niezupełne	Nagrzanie do temp. między Ac1, a Ac3 lub Ac1, a A ccm i studzenie do temperatury poniżej Ar1 w celu częściowego przekrystalizowania
Wyżarzanie odprężające	Nagrzanie do temperatury poniżej Ac1, wygrzanie w tej temperaturze i studzenie w celu zmniejszenia naprężeń własnych
Hartowanie	Austenityzowanie i następnie oziębianie z szybkością umożliwiającą uzyskanie struktury martenzytycznej lub bainitycznej
Odpuszczanie	Grzanie uprzednio zahartowanego wyrobu do temperatury niższej od Ac1 i chłodzenie
Przesycanie	Nagrzewanie do temperatury rozpuszczania się faz i następnie oziębianie w celu otrzymania metastabilnego roztworu stałego w temperaturze otoczenia

Obróbka cieplna pośrednia. Ponieważ w czasie spawania cykl cieplny procesu powoduje niejednokrotnie znaczne zmiany strukturalne i zmiany własności mechanicznych, uniemożliwiając czasami dalsze zabiegi technologiczne, stosuje się obróbkę cieplną pośrednią w postaci wyżarzania niezupełnego lub odprężającego. Do pośredniej obróbki cieplnej zalicza się również wstępne podgrzanie elementu przed spawaniem oraz w czasie spawania (rys. 8,1).

Obróbka cieplna końcowa. Celem tej obróbki jest nadanie spawanym elementom konstrukcji pożądanych własności mechanicznych oraz usunięcie naprężeń własnych spawalniczych. Zwykle jako końcową obróbkę cieplną stosuje się: wyżarzanie normalizujące, wyżarzanie odprężające, hartowanie z odpuszczaniem i przesycanie stali austenitycznych.

2. Podgrzewanie przed spawaniem

Wstępne podgrzanie spawanego elementu ma na celu obniżenie szybkości chłodzenia spoiny i strefy wpływu ciepła, co ma istotny wpływ na ich strukturę i własności. Dla stali niestopowych i niskostopowych wartość temperatury wstępnego podgrzania T_w, które jest niezbędne dla uniknięcia pęknięć, można określić opierając się na wartości równoważnika C_E zastosowanej stali oraz grubości spawanego elementu. Seferian wychodząc z chemicznego równoważnika węgla wyrażonego równaniem:

360 C_E = 360C + 40 (Mn + Cr) + 20 Ni + 28 Mo % wag. (8.1)

Określił zależność na wartość temperatury wstępnego podgrzania

gdzie: C_es jest sumą chemicznego równoważnika węgla C_E oraz równoważnika uwzględniającego stopień hartowności w zależności od grubości spawanego elementu C_Eg, który oblicza się ze wzoru

C _Eg = 0,005 g C _E % wag.

gdzie: g - grubość spawanego elementu w mm, 0.005 - współczynnik grubości.

Tak więc ostatecznie sumaryczny równoważnik węgla równa się

C _Es = C _E ( 1 + 0,005 g) % wag.

3. Obróbka cieplna po spawaniu

3.1 Obróbka cieplna złączy ze stali niestopowych i niskostopowych

Najczęściej stosowanymi rodzajami obróbki cieplnej złączy spawanych ze stali niestopowych i niskostopowych (perlitycznych) są:

• wyżarzanie normalizujące,

• wyżarzanie normalizujące z odpuszczaniem,

• wysokie odpuszczanie,

• wyżarzanie odprężające.

Wyżarzanie normalizujące i wyżarzanie normalizujące z odpuszczaniem stosuje się do złączy ze stali węglowych i niskostopowych w celu rozdrobnienia ich struktury i polepszenia własności. Tego rodzaju obróbka zastosowana np. do sztywnych węzłów ze stali chromowo-molibdenowo-wanadowych podwyższa ich odporność na lokalne pęknięcia w złączach.

Wysokie odpuszczanie stosuje się w celu zmiany struktur i własności spoiny oraz strefy wpływu ciepła przez przejście ze struktur hartowania do struktur odpuszczania. Wysokie odpuszczanie stosuje się również do usuwania naprężeń własnych.

Przy stosowaniu wysokiego odpuszczania zaleca się:

1. Węzły konstrukcji lub całe konstrukcje wykonane ze stali hartujących się w procesie spawania należy poddać odpuszczaniu albo bezpośrednio po spawaniu, albo w nieprzekraczalnym czasie ustalonym w praktyce dla danej konstrukcji - ze względu na możliwość pojawienia się pęknięć opóźnionych.

2. Temperatura pieca w czasie wykładania do niego konstrukcji nie powinna przekraczać 350^oC- w celu uniknięcia odkształceń.

3. Konstrukcje spawane ze wstępnym podgrzaniem i umieszczone w piecu bezpośrednio po spawaniu powinny mieć temperaturę nie niższą niż 450^oC.

4. Przy średniej złożoności konstrukcji szybkość nagrzewania i studzenia nie powinna przekraczać 200^oC przy grubości spawanych elementów do 25 mm. Przy grubościach większych szybkość nagrzewania i studzenia można określić z zależności

v = 5000/g [^oC/h ]

gdzie g - grubość spawanych elementów w mm.

5. Po ochłodzeniu konstrukcji do 350^oC w piecu, dalsze stygnięcie może przebiegać w powietrzu.

6. W czasie wygrzewania w temperaturze odpuszczania różnica temperatur dla poszczególnych części konstrukcji nie powinna przekraczać ±20^oC

7. Przy odpuszczaniu złączy ze stali podatnych na wystąpienie kruchości odpuszczania należy zwiększyć szybkość chłodzenia w ich krytycznym zakresie temperatur.

W przypadku dokonywania zabiegu miejscowego odpuszczania należy się liczyć z powstaniem w złączu naprężeń. W celu ich zmniejszenia należy dążyć do tego, aby występowały minimalne spadki temperatury na grubości wyżarzanego połączenia. W tym celu stosuje się izolacje, które zmniejszają wymianę ciepła z otoczeniem. Należy również zapewnić uzyskanie odpowiedniej długości strefy równomiernego nagrzania z obu stron złącza. Do rur, króćców i zbiorników wynosi ona [mm]

gdzie: R - średni promień w mm, g - grubość ścianki w mm.

Wyżarzanie odprężające. Przy tym wyżarzaniu zaleca się aby:

1. konstrukcja była umieszczona w piecu przy jego temperaturze nie wyższej niż 200 - 300^oC, w zależności od stopnia złożoności wyrobu,

2. szybkość nagrzewania do temperatury 500 - 650^o C nie przekraczała 80^o C/godz.,

3. czas wygrzewania w temperaturze 500 - 650^oC powinien wynosić 2 - 4 min. na 1 mm grubości materiału, lecz nie mniej niż 30 minut,

4. chłodzenie z temperatury 500 - 650^oC do temperatury otoczenia przeprowadzane było w powietrzu,

Temperaturę nagrzania w przedziale 500-650^o C ustala się w zależności od grubości spawanych elementów i stopnia niebezpieczeństwa powstania odkształceń - im mniejsze niebezpieczeństwo wystąpienia odkształceń, tym wyższa może być temperatura nagrzania. Stale niskostopowe odpręża się w temperaturze 600 - 675^o C. Czas wygrzewania zależy od grubości spawanych elementów, złożoności kształtu oraz wielkości wsadu.

Wyżarzanie odprężające, ani każde inne, nie usuwa powstałych odkształceń spawalniczych. Odprężaniu powinny być poddawane przede wszystkim grubościenne konstrukcje narażone na pękanie kruche oraz te, które mogą zmieniać wymiary w czasie obróbki mechanicznej i w czasie eksploatacji, a stabilność wymiarów jest istotna..

---