В данной статье рассматривается процесс термической обработки после сварки (ТОПС) и его эффективность в снижении остаточных напряжений и улучшении механических свойств сварных конструкций.
Термическая обработка после сварки (ТОПС) — это любой вид термической обработки, выполняемый после механической обработки или сварки для улучшения механических и химических свойств обработанных поверхностей или сварных соединений. В процессе сварки в конструкции возникают остаточные напряжения, что со временем приводит к деформациям. Причём величина этих напряжений возрастает в более сложных или крупных деталях и конструкциях.
Во время сварки, когда металлы соединяются, происходит упрочнение, степень которого зависит от содержания углерода в металлах, особенно в зоне термического влияния около сварного шва. Возникающие при этом остаточные напряжения значительно возрастают вследствие процессов плавления и кристаллизации, и их величина может достигать предела текучести основного материала.
ТОПС обычно применяется для снижения остаточных напряжений и повышения стойкости к хрупкому разрушению. Кроме того, ТОПС может способствовать увеличению прочности материала и снижению твердости. Наиболее распространёнными процедурами ТОПС являются снятие напряжений и последующий нагрев. Необходимость ТОПС определяется требованиями нормативных документов, а также условиями эксплуатации.
Последующий нагрев применяется для уменьшения вероятности образования трещин, вызванных водородом (HIC). Такие трещины возникают, когда в сварном соединении присутствует чувствительная микроструктура, высокий уровень напряжений и/или достаточное количество водорода.
В ферритных сталях водородная хрупкость проявляется при температурах, близких к комнатным. Трещинообразование в чувствительных микроструктурах можно предотвратить, удалив водород из сварной зоны сразу после сварки, до охлаждения стали до комнатной температуры.
Сталь должна быть нагрета от межпроходной температуры до температуры последующего нагрева и выдержана при этой температуре в течение определённого времени. Как правило, температура последующего нагрева поддерживается на уровне 230°C в течение одного часа на каждый дюйм толщины.
Последующий нагрев может быть обязательным требованием нормативных документов, так как как Американское общество инженеров-механиков (ASME) в разделе III, так и Национальный совет по инспекции (NBIC) содержат соответствующие положения.
Кроме того, последующий нагрев часто необходим при выполнении критических ремонтов, например, тех, которые определены в плане контроля за разрушениями (FCP) для незаменяемых элементов согласно стандарту Американской ассоциации государственных и транспортных чиновников/Американского общества сварки (AASHTO/AWS) D1.5 для сварки мостов. Однако последующий нагрев не требуется, если отсутствуют предпосылки для водородного растрескивания.
Термическая обработка для снятия напряжений применяется для уменьшения остаточных напряжений, возникших в процессе производства сварных конструкций. Остаточные напряжения снижаются путём равномерного нагрева конструкции до достаточно высокой температуры, выдержки при этой температуре в течение определённого времени, зависящего от толщины материала, и последующего равномерного охлаждения.
Однако температура нагрева должна оставаться ниже интервала температуры начала фазового превращения. Например, углеродистые стали обычно нагреваются до 600–675°C на один час на каждый дюйм толщины. Таким образом, термообработка для снятия напряжений снижает риск появления трещин в сварных соединениях за счёт уменьшения их твёрдости и увеличения пластичности. Другие важные преимущества снятия напряжений включают улучшение металлургической структуры и снижение термических напряжений.
В исследовании, опубликованном в журнале Procedia Engineering, учёные изучали влияние параметров ТОПС, включая время и температуру выдержки, на снижение остаточных сварочных напряжений в сварных электронно-лучевых стальных пластинах P91 с целью оптимизации процесса.
Была разработана численная термо-электро-пластическая модель для имитации сварки пластин, а ТОПС реализовывалась с использованием закона ползучести Нортона, после чего определялись остаточные напряжения. Температура выдержки поддерживалась постоянной на уровне 770°C, а время выдержки изменялось для оценки его влияния на снятие остаточных напряжений.
Аналогично, время выдержки фиксировалось на 1,5 часа для определения снятия остаточных напряжений при температурах 550°C, 650°C и 770°C. Результаты показали, что увеличение времени выдержки влияет только в течение первых двух часов, после чего заметного снижения остаточных напряжений не наблюдается.
Напротив, увеличение температуры выдержки приводило к большему снижению остаточных напряжений, что свидетельствует о более значительном влиянии температуры по сравнению с временем выдержки. Однако максимальная температура выдержки для ТОПС составляет 770°C, так как она должна оставаться ниже температуры начала аустенитного превращения.
Чрезмерно длительное время или высокая температура выдержки при ТОПС может привести к снижению прочности материала. Кроме того, процедуры отпуска могут уменьшить прочность закалённых и отпущенных материалов. Поэтому температуру и время необходимо тщательно контролировать, чтобы избежать потери прочности.
Температуры снятия напряжений или отпуска значительно снижают прочность материала. Поэтому конструкционный элемент может прогнуться или деформироваться при наличии нагрузки в процессе ТОПС, что может привести к серьёзным и дорогостоящим повреждениям. Таким образом, все конструкции, подвергающиеся воздействию высоких температур при ТОПС, должны быть надёжно закреплены для предотвращения деформаций.
В недавнем исследовании, опубликованном в Journal of Manufacturing Process, учёные изучали влияние модификации термической обработки в процессе ТОПС на механические свойства и микроструктуру разнородных сварных соединений Super304H и T91.
Для изготовления разнородных сварных соединений применялась дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа с использованием присадки ERNiCr-3. Затем были проведены два типа ТОПС: прямой отпуск после сварки (PWDT) и нормализация с последующим отпуском после сварки (PWNT). PWDT проводился при 760°C в течение одного часа, а PWNT включал нормализацию при 1050°C в течение 30 минут и последующий отпуск при 760°C в течение часа.
Результаты показали более однородную микроструктуру после PWNT по сравнению с PWDT. Кроме того, после PWDT наблюдалось образование крупных карбидов хрома по границам зёрен, что указывало на сенсибилизацию со стороны Super304H, а после PWNT — мелких карбидов хрома, что свидетельствовало о замедлении процесса сенсибилизации.
Была выявлена и устранена склонность мелкозернистой зоны термического влияния к образованию трещин типа IV благодаря обработке PWNT на стороне T91. Кроме того, улучшенная микроструктура после PWNT коррелировала с улучшенными механическими свойствами по сравнению с PWDT.
Например, ударная вязкость, относительное удлинение, прочность на растяжение и предел текучести при 0,2% деформации для PWNT составили соответственно 132 МДж/м³, 22%, 691 МПа и 384 МПа, тогда как аналогичные показатели для PWDT были 109 МДж/м³, 20%, 649 МПа и 324 МПа. Однако разрушение в обоих случаях происходило в области сварного шва из-за наличия крупных интерметаллических карбидов ниобия и титана.
В заключение, ТОПС является одним из ключевых процессов, который может быть использован после сварки для эффективного снижения остаточных напряжений и улучшения механических свойств сварных соединений.
