Как быстро остудить металл после сварки


Охлаждать ли детали и сварочный шов после сварки?

На протяжении всей своей деятельности в области обучения электросварке я получаю вопросы от своих читателей по поводу принудительного охлаждения деталей после сварки водой. Кроме того, я замечаю, что среди мастеров-любителей очень распространена эта привычка. Но правильно ли охлаждать сварочный шов водой? И как же нужно делать на самом деле? В этой статье раскрою эту темы подробно. Вообще, это тема большая и сложная, но я объясню всё буквально «на пальцах».

Как правильно охлаждать металл

Металлы обладают таким свойством, что их структура изменяется не только от температуры, но и от скорости остывания и нагревания.  А одними из самых важных характеристик металла (а значит и сварного шва, и околошовной зоны, и сварного соединения в целом) являются пластичность и твёрдость. Собственно, это противоположные стороны одной характеристики — пластичный металл не обладает твёрдостью, а твёрдый, наоборот, не обладает пластичностью, и при дальнейшем повышении твёрдости становится хрупким.

В металлургии существуют различные термические циклы, обеспечивающие необходимые свойства металла. Нам же в них разбираться не нужно, но крайне важно усвоить, что, в сухом остатке, начальная температура металла, скорость и площадь его нагрева и скорость остывания существенно влияют на свойства металла, а значит и на характеристики сварного соединения.

(Я написал «скорость» нагрева и остывания, но на самом деле, правильнее было бы сказать «режим». Потому что во многих ситуациях применяется не равномерное нагревание и остывание, а целая технология. Например, нагрев до определённой температуры, выдержка на ней в течении какого-то времени, дальнейший нагрев в течение какого-то времени и т.д., и лишь после нескольких таких шагов — сварка. С остыванием может быть примерно такая же технология.)

Охлаждение сварочного шва

Возвращаясь к практической электросварке в бытовых условиях, важно знать, что принудительное охлаждение металла лишает его пластичности и делает более хрупким. Это приводит к тому, что в сварном соединении могут образоваться закалочные трещины. А даже если они не образуются вскоре после сварки, то такое сварное соединение будет выдерживать меньшую нагрузку, чем если бы оно остывало естественным способом. Трудно пересказывать сопромат бытовым языком, но общий смысл в том, что соединение, остывшее естественным способом, обладает большей пластичностью. Таким образом, при увеличении нагрузки, у такого соединения позже наступает точка необратимого разрушения. Соответственно, у соединения, охлажденного принудительно, точка необратимого разрушения наступает раньше.

Как я уже сказал выше, это сложная тема, которая уходит глубоко в вопросы металлургии и сопромата. Но основной вывод из всей статьи, что никогда и ни при каких обстоятельствах не следует охлаждать сварные швы в бытовых конструкциях принудительно!

А теперь, напишите, пожалуйста, в комментариях, понятна ли и полезна ли вам эта статья, и какой у вас опыт в этой области. Даже если я не отвечаю на каждый комментарий,  все их читаю, и для меня действительно важно, чтобы мои статьи были для вас полезны. Пожалуйста, оставьте свой комментарий.

Понравилась статья? Тогда нажмите социальные кнопки:

 

Ещё по теме:

Ошибки при выполнении сварочных швов

Распространённая ошибка начинающих сварщиков

Ошибка в применении соотношения «диаметр электрода/сварочный ток»

 

Видеокурсы:

Как варить электросваркой

Как установить сварочный ток правильно

Как выбрать маску «хамелеон»

Как настроить маску «хамелеон» правильно

Как выбрать сварочный инвертор

Как снять напряжение при сварке

Жаль, что дуговая сварка так хорошо работает. Это доказано, экономично. Для многих приложений ничто и близко не подходит, по крайней мере, пока. Почему обидно? Потому что на микроуровне дуговая сварка вызывает серьезные нагрузки из-за резких перепадов температуры, измеряемых тысячами градусов.

Сварочный пистолет наносит присадочный металл, который становится расплавленным и расширяется из своего ранее холодного состояния в виде проволоки или прутка.Сразу после наплавки и последующего сплавления между основным металлом и металлом шва металл быстро остывает. Сварочный присадочный металл с высоким пределом текучести сжимается или сжимается, увлекая за собой основной металл с более низким пределом текучести. Крепко зажатый металл может оставаться на месте до сварка, но при этом сила сжатия не исчезает. Охлажденный металл сварного шва все еще хочет дать усадку. Когда металл не зажат, металл шва тянется за основной металл, и сварной шов деформируется. Степень, в которой это происходит, зависит от геометрии сварного шва, конструкции детали, а также марки и толщины материала.Как правило, чем выше содержание углерода в металле и тем более прочным является соединение, тем больше стресс.

Конечно, металлургическая картина намного сложнее, но это основная идея.

В промышленности существует множество способов уменьшить такое напряжение сварного шва. Любой метод должен выполнять по крайней мере одно из двух: контролировать температуру и совершенствовать процедуру сварки, которые противодействуют тем неизбежным силам, которые возникают при сплавлении двух металлов вместе с помощью электрической дуги.

По поводу статьи «Как сделать» в этом месяце FABRICATOR поговорил с тремя экспертами. Что касается технологии нагрева и сварки, мы поговорили с Карлом Смитом, давним менеджером по качеству и техником по сварке в Kanawha Manufacturing Co. Мы также поговорили с двумя экспертами о некоторых нетрадиционных технологиях снятия напряжения: Томом Хебелем, вице-президентом Bonal Technologies, и Биллом Кашиным, территориальным менеджер по Bolttech Мэннингс.

1. Уточните процедуру сварки

Настройка; выбор электрода; наряду с типом сварного шва (угловой, бороздчатый, стыковой и т. д.), размер и ориентация - все это влияет на то, как сварное соединение реагирует на напряжение.

Предварительная гибка или предварительная настройка. Основной металл можно настроить таким образом, чтобы компенсировать усадку сварного шва. Например, когда две заготовки предварительно настроены так, что один конец стыка соединен вместе, а дальний конец стыка немного разнесен, остывающий металл сварного шва тянет две заготовки до тех пор, пока к концу сварного шва соединение не окажется в правильной ориентации.

Выровняйте сварной шов. Двусторонние сварные швы, такие как соединения с двойным V-образным пазом, уравновешивают индуцированные напряжения и часто приводят к более стабильной сборке.«Это особенно верно для более толстого материала», - сказал Смит. «Два полудюймовых сварных шва на каждой стороне 1-дюймовой пластины уравновешивают сварной шов и минимизируют деформацию».

Отступление. Шаг назад немного похож на лунную походку со сварочным пистолетом. Вы начинаете на несколько дюймов от начала стыка и снова привариваете к краю; затем пройдите дальше по стыку и сварите обратно туда, где вы первоначально зажгли предыдущую дугу; затем пройдите дальше по стыку и снова приварите к предыдущему сварному сегменту; и так далее, пока стык не будет готов.Это противодействует усадке за счет фокусирования начальных напряжений от краев заготовки.

Прерывистая сварка. Если прерывистая сварка или сварка стежком соответствует требованиям к конструкции, она не только помогает уменьшить деформацию, но и требует меньше металла шва.

Расходные материалы. При сварке проволокой «вы можете заставить проволоку диаметром 0,035 дюйма уложить столько же, сколько проволока диаметром 0,045 дюйма», - сказал Смит. «Вы можете просто увеличить скорость подачи проволоки». Он добавил, что меньшее тепловложение, необходимое для расплавления проволоки меньшего размера, перевешивает любые преимущества снижения нагрева, которые могут возникнуть при более высокой скорости перемещения при использовании проволоки большего размера.

Сварной металл: больше - не лучше. В кодах указаны конкретные требования к размеру сварного шва, включая максимально допустимую высоту валика над пластиной. Хитрость заключается в том, чтобы уложить ровно столько сварочного металла, чтобы создать самый прочный стык, и не более того. Сильно выпуклый валик не делает сварной шов прочнее, но увеличивает силы усадки, потому что более прочный металл сварного шва тянется за основной металл, поскольку сварной шов остывает.

Здесь учитывается техника. «Многопроходный сварной шов со стрингером создаст меньше деформации, чем переплетенный валик», - сказал Смит.

Техника стрингера обычно обеспечивает более высокие скорости движения, что снижает тепловложение. Каждый проход пистолета оставляет меньше металла шва, что, в свою очередь, помогает лучше контролировать размер сварного шва.

Сварщики обычно ткают только в крайнем случае, сказал Смит. «Покровный проход на бусине плетения может выглядеть лучше, чем бусинка для плетения, но если сварщик знает, что он делает, и правильно размещает бусинку, он может сделать так, чтобы он выглядел так же хорошо, как бусинка плетения».

Конечно, есть множество исключений.Сварщики трубопроводов часто работают под уклон, но скошенное отверстие в трубопроводе обычно намного меньше, чем на обычной плите. И «круглые детали в любом случае деформируются не так сильно, как плоские», - сказал Смит.

Тем не менее, когда дело доходит до контроля искажений, обычно лучше всего подходят бусины для нитей. «У каждой бусинки свой уровень напряжения», - объяснил Смит. «Чем шире валик, тем больше напряжения вы будете прикладывать к сварному шву, поэтому у вас будет больше« тяги », больше искажений, чем у меньшего валика.«

Подгонка: лучше всего маленький корень. Затвердевающий металл шва вытягивает основной металл, и этот эффект усугубляется чрезмерно широким корневым отверстием, особенно в больших сварных деталях и в областях с плохой подгонкой. «Некоторые ситуации не подходят для плотного корня, - сказал Смит, - но, как правило, с сегодняшними сварочными аппаратами во многих случаях можно обойтись отверстием в корне 1/16 дюйма».

Приваривайте от наиболее ограниченного к наименее ограниченному участку. По словам Смита, это следует принципам, аналогичным принципам предварительной гибки и предварительной настройки.Рассмотрим раму с крестовиной, идущей по центру. Крестовина, окруженная рамой, является наиболее жесткой из всех частей в сборке. Так что сначала нужно приварить эту крестовину. Центральная деталь, если ее сначала приварить, менее ограничена окружающий металл и может свободно перемещаться и снимать остаточные напряжения, прежде чем приступить к сварке рамы.

2. Контрольная температура

Предварительный нагрев, поддержание температуры между проходами сварки (температура между проходами) и термообработка после сварки (PWHT) работают для достижения одной цели: контролировать изменения уровней нагрева.Чем больше вы контролируете перегрев, тем больше вы можете противодействовать нагрузкам и тем меньше вероятность деформации сварного шва, особенно в сильно зажатых соединениях. Когда вы уменьшаете скорость охлаждения, вы уменьшаете усадочные напряжения и дать водороду больше времени для рассеивания, уменьшая вероятность растрескивания под валиком.

Материальные факторы. Прогнозирование необходимого минимального предварительного нагрева, температуры между проходами и термической термообработки зависит от области применения и степени прочности рассматриваемого соединения. Конкретные свойства материала влияют на то, насколько сильно металл будет деформироваться.К ним относятся коэффициент теплового расширения (насколько металл расширяется при нагревании), теплопроводность (насколько быстро он рассеивает тепло), предел текучести, и модуль упругости (жесткость материала).

В качестве отправной точки обратитесь к правилам сварки конструкций AWS D 1.1, Руководству по сварке, руководствам, опубликованным производителем стали, и другим источникам для получения рекомендованных минимальных температур предварительного нагрева и промежуточного прохода для определенных сплавов. Как правило, более высокое содержание углерода означает более высокие минимальные температуры предварительного нагрева и промежуточного прохода.

В большинстве случаев предварительный нагрев, промежуточный нагрев и PWHT не требуют поддержания точной температуры, если вы поддерживаете минимальную температуру. Однако есть исключения, в том числе закаленная и отпущенная сталь. Они поступают на сварочную станцию ​​уже прошедшими термообработку сталелитейщиком, поэтому предварительный нагрев до слишком высокой температуры может нарушить свойства материала; другими словами, закаленные и закаленная сталь больше не закаляется. «Например, - сказал Смит, - сплавы ASTM A514 и A517 никогда не следует предварительно нагревать до более чем 150 градусов по Фаренгейту выше рекомендованного [минимального] предварительного нагрева.«

Нержавеющая сталь может быть особенно раздражительной. «Мы поддерживаем температуру между проходами ниже 350 градусов по Фаренгейту», - пояснил Смит. «Мы используем дистиллированную воду в аэрозольных баллончиках. Вода на углеродистой стали приводит к ее растрескиванию. Но на нержавеющую сталь она не влияет, если вы используете дистиллированную воду, в которой нет хлора». Содержание никеля и хрома в нержавеющей стали делает металл особенно чувствительным к искажение, потому что элементы не рассеивают тепло быстро.

Как правило, металлы, которые быстро рассеивают тепло, требуют более высокого предварительного нагрева.Термически обрабатываемые алюминиевые сплавы можно предварительно нагреть до 300–400 градусов по Фаренгейту в качестве дополнительной меры предосторожности против растрескивания и, что наиболее важно, для рассеивания водорода. Оксид алюминия на основном металле и металле шва притягивает влагу, которая вводит водород (H в h3O). Поскольку алюминий быстро рассеивает тепло, водород становится застрял, так как металл шва быстро остывает. Медленное охлаждение, создаваемое за счет предварительного нагрева, дает водороду время для выпекания сварного шва. «Вот почему сварщик часто может сказать, что он« кипятит воду »из материала», - сказал Смит.

Высоколегированные материалы, такие как хром-молибден, также быстро рассеивают тепло и обычно требуют высоких температур предварительного нагрева. По словам Смита, предварительный нагрев даже прихваточных швов часто является наилучшей практикой. Трещины могут начинаться в прихватке и «проходить через сварной шов и доходить до вершины». Он добавил, что некоторые области применения хром-молибдена требуют предварительного нагрева примерно до 400 градусов по Фаренгейту и выдержки после сварки. температура около 600 градусов по Фаренгейту до снятия напряжения.

Медь

, которая чрезвычайно быстро рассеивает тепло, требует очень сильного предварительного нагрева, «чтобы сварочный присадочный металл мог попасть в соединение и образовать хорошее соединение», - сказал Смит.Для меди толщиной более 1 дюйма может потребоваться предварительный нагрев до 1200 градусов по Фаренгейту (См. Раздел «Оптимизация снятия напряжений», чтобы узнать о способах применения такого сильного предварительного нагрева непосредственно к заготовке, без печи).

Эффекты перерыва на кофе: Держите его горячим. Представьте, что вы предварительно нагреваете соединение с помощью горелки, свариваете несколько футов, останавливаетесь, делаете небольшой перерыв, а затем возобновляете работу, не поднимая горелку предварительного нагрева и снова не нагревая область соединения. Чтобы свести к минимуму деформацию, вы должны снова взять горелку предварительного нагрева, чтобы снова нагреть этот материал до требуемой температуры между проходами."Вам необходимо поддерживать температуру промежуточного прохода на протяжении всего сварного шва ", - пояснил Смит, добавив, что термоциклирование особенно опасно для хромомолибденовых, закаленных и отпущенных материалов.

Предварительный нагрев горелки. При предварительном нагреве горелкой «мы рекомендуем 6 дюймов с каждой стороны сварного шва» для больших заготовок, - сказал Смит, добавив, что ширина применяемого предварительного нагрева и конкретный используемый метод зависят от материала и геометрии заготовки.

Типы горелок

различаются, но сварщики Смита используют многопламенные горелки с вихревым наконечником и пропиленовым газом.«Газ пропилен не такой высококонцентрированный, как ацетилен, - сказал он, - и мы не хотим концентрировать тепло во время предварительного нагрева».

PWHT не заменяет предварительный нагрев. По словам Смита, термическая обработка после сварки и предварительный нагрев дополняют друг друга, но не заменяют друг друга. Верно, что в некоторых случаях локализованный предварительный нагрев может служить заменой PWHT, когда перемещение заготовки в печь для PWHT нецелесообразно (подумайте о морских нефтяных вышках). PWHT не работает как заменитель предварительного нагрева, потому что не снижает напряжения, возникающие сразу после зажигания дуги на холодном, не подогретом основном металле.К моменту применения PWHT уже слишком поздно исправить проблему.

3. Оптимизация снятия напряжений

«С годами сварщики усовершенствовали методы снятия напряжения и сведения к минимуму деформации: предварительный нагрев в печи или с помощью горелки, использование тепловых одеял и, при необходимости, отправка деталей в печь для термообработки после сварки. Обратите внимание на одну общую черту среди всех этих методов : time. Но некоторые технологии используют альтернативные подходы, которые упрощают работу и даже улучшают сварку. качество.

Доступны различные альтернативы, включая методы индукционного нагрева. Здесь мы обсуждаем два варианта: резистивный нагрев и вибрацию.

Терморегулятор сопротивления. Электрогрелка включает резистивные нагревательные элементы, которые могут повышать температуру заготовки до соответствующего уровня до, во время и после сварки, чтобы соответствовать стандартным методам предварительного нагрева, промежуточного прохода и PWHT (см. , рис. 1, и , рис. 2, ). Подушечка состоит из переплетенных бусинок, сплетенных вместе с использованием проволоки с высоким сопротивлением.Устройство может нагреваться до 1850 градусов по Фаренгейту (компания Смита использовала эту технологию для предварительного нагрева толстой медной пластины до более 1000 градусов F.)

В контроллере температуры используется система термопар, приваренных к детали, для считывания фактической температуры металла, которая отслеживается на протяжении всей операции. Сварщикам не нужно использовать температурные мелки для измерения температуры предварительного нагрева. Прокладку также не нужно снимать во время сварки.

Как объяснил Билл Кашин из Bolttech Mannings: «Допустим, вы свариваете два куска трубы вместе, а код говорит, что вам нужно предварительно нагреть их до 400 градусов F.Вы должны прикрепить термопару, прикрепить грелку, надеть изоляцию, чтобы защитить себя, и поднять температуру до 400 градусов по Фаренгейту. Когда нагреватель достигнет этой температуры, он будет циклически включаться и выключаться, чтобы поддерживать эту температуру. пока вы не закончите сварку. "

Показания машины также могут быть сохранены в виде записи температуры детали до, во время и после сварки, что полезно для кодовых или связанных со страховкой работ, таких как ремонтные работы на электростанциях.

Прокладки предназначены для обертывания заготовки, с частью съемной изоляции поверх стыка.Для предварительного нагрева вся заготовка закрывается. Затем вы снимаете изоляцию с области сварного шва и начинаете сварку. Когда вы делаете перерыв, вы снова кладете изоляцию на стык, чтобы поддерживать температуру предварительного нагрева. Затем подкладки нагревателя могут быть добавлены в зону сварки для снятия напряжения. рельеф, избавляющий от необходимости переносить деталь в печь для термообработки.

Снятие вибрационного стресса. В другом методе используется то, что кажется несвязанным, но это: вибрация (см. , рис. 3, ).

«Согласно физике, тепло - это вибрация», - сказал Том Хебель из Bonal Technologies. Чем больше нагревается, тем быстрее колеблются его молекулы. «Мы вызываем вибрацию в детали, и деталь реагирует так, как будто она имеет такое же внутреннее действие, когда деталь нагревается для термообработки. Это крутой процесс, но внутри есть движение».

Если во время сварки вы будете вибрировать металл с определенной частотой, это будет дополнять тепло сварочного шва, которое вызывает колебания расплавленного металла на молекулярном уровне.Это примерно аналогично встряхиванию банки с шариками разной формы или вибропитателя в процессе штамповки, когда все успокаивается и «упаковывается». Уровень вибрации, по словам Хебеля, очень специфичен: в нижней, или субгармонической, часть гармонической кривой, непосредственно перед тем, как амплитуда быстро возрастет и достигнет естественного резонанса детали.

Устройство вызывает вибрацию в заготовке и контролирует реакцию заготовки. Чем больше вибрации вложено в деталь, тем больше она будет поглощать - до определенного предела.«В определенный момент любая дополнительная энергия заставит деталь отбрасывать энергию», - сказал он.

Уловка, объяснил Хебель, состоит в том, чтобы вызвать частоту вибрации, которая находится в определенной точке ниже ее точки резонанса. Именно здесь вибрация оказывает наибольшее демпфирующее действие, нейтрализуя напряжение, вызванное теплом сварного шва.

Чаще всего вибрационное устройство применяется после сварки для снятия напряжения, по существу заменяя PWHT. Но его также можно применять во время сварки для улучшения качества сварного шва за счет измельчения зерна и уменьшения напряжения.Фактически, применение правильной вибрации во время сварки может полностью исключить необходимость в PWHT, если только не требуется отпуск зоны термического влияния.

«При сварке возникает термическое напряжение», - сказал Хебель. «Таким образом, когда вы проводите сварку [с использованием субгармонической вибрации во время сварки], вы устраняете эффект теплового напряжения, поскольку оно индуцируется. Итак, после сварки, если эффекты теплового напряжения отсутствуют, зачем отправлять деталь в печь для снятия напряжений ""

В некоторых случаях, по словам Хебеля, он может заменить требования к низкотемпературному предварительному нагреву, от 250 до 300 градусов по Фаренгейту.«Из-за ускоренного движения основного материала сварная деталь« думает », что она предварительно нагрета». Однако обычно вибрационная подготовка шва дополняет существующие процедуры предварительного нагрева для повышения качества сварки.

Хебель сравнивает большую стальную деталь с напряжением, вызванным сваркой, с расстроенным инструментом. После сварки температура резко падает. В этот момент внутри и вокруг зоны термического влияния естественная гармоническая кривая детали немного сдвигается, «не в гармонии» с остальной частью сборки.Противодействие этому эффекту с помощью индуцированной вибрации во время и после сварки снимает напряжение, о чем свидетельствует гармоническая кривая движется "в гармонии" с остальной частью сборки.

.

7 способов контроля деформации при сварке

Деформация - серьезная проблема, с которой мы сталкиваемся при сварке. Понимание того, что вызывает искажение, важно, чтобы иметь возможность минимизировать или полностью устранить его. Есть физические и механические свойства, которые влияют на восприимчивость материалов к деформации. Чтобы узнать больше об этом, вы можете прочитать 4 свойства материала, которые влияют на искажения.

Более крупные сварные швы в стыковых соединениях могут помочь минимизировать деформацию

Как производители, мы практически никогда не выбираем основной материал сварной конструкции.Однако, независимо от механических и физических свойств материала, мы можем следовать набору правил, чтобы минимизировать или полностью исключить искажения. Выполните следующие действия, и вы сможете контролировать деформацию сварного шва.

    1. Не переваривайте - чем больше сварочного металла мы вставляем в соединение, тем выше силы, вызывающие усадку. Не выкладывайте филе 5/16 дюйма, если подойдет филе ¼ дюйма. Если на чертеже указаны сварные швы, придерживайтесь требуемого размера.При необходимости приобретите сварочные манометры. Вы можете узнать, как их использовать, в разделе «Правильное использование сварочных манометров».
    2. Используйте прерывистую сварку. - использование прерывистой сварки, а не непрерывной сварки, если это позволяет конструкция, может сэкономить до 75% металла шва и значительно снизить усадку и деформацию. Приваривание ребер жесткости к пластине - отличное место для этого.
    3. Сведите к минимуму количество проходов сварки. - усадка, вызванная каждым проходом, является кумулятивной, что позволяет заполнить тот же объем за меньшее количество проходов, особенно когда мы выполняем сварку с поперечной деформацией.

4. Сварной шов рядом с нейтральной осью - как вы можете видеть на изображении ниже, расположение сварного шва относительно нейтральной оси будет определять направление деформации конструкции. Если мы сможем разместить сварной шов прямо на нейтральной оси, мы сможем эффективно контролировать искажение.

Источник: Haynes International - Сварка и соединение

5. Сбалансируйте сварные швы вокруг нейтральной оси - мы не всегда можем изменить толщину материала, чтобы повлиять на положение нейтральной оси.В этом случае по возможности балансируйте сварные швы вокруг нейтральной оси. Это означает попытку добиться симметрии.

При проектировании учитывайте расположение сварных швов относительно нейтральной оси6.

6. Используйте технику обратного шага - это полезно, поскольку предыдущий сварной шов создает ограничение, сводящее к минимуму искажения. Этот метод не может быть применим во всех ситуациях.

7. Предустановка деталей для компенсации искажения - если мы ожидаем искажения и можем предсказать, в каком направлении будет изгибаться сварная конструкция, мы можем предварительно согнуть деталь, чтобы после сварки деталь была прямой.

Существуют и другие методы уменьшения искажений, например планирование последовательности сварки для противодействия усилиям усадки. Упрочнение также может снизить некоторые остаточные напряжения. Также могут помочь предварительный нагрев и другие термические методы.

Источники: Руководство по дуговой сварке, 14-е издание

Haynes International - Сварка и соединение (дефекты сварных швов)

.

Сварочное воздействие на упрочненную сталь

Как я упоминал в выпуске за сентябрь / октябрь, сварка может сильно повлиять на упрочненные или закаленные металлы, в зависимости от используемой техники закалки.

Методы упрочнения и сварочные эффекты

Металлы с деформационным упрочнением или деформацией , подвергнутые интенсивной локальной сварке, имеют тенденцию к рекристаллизации и размягчению в зоне термического влияния (HAZ). Если предположить, что используется правильный присадочный металл, единственная затронутая область - это ЗТВ.Добавка и присадочный металл не подвергаются рекристаллизации и остаются такими же прочными, как и основной металл. Это объясняет, почему, когда вы имеете дело со сталью с деформационным упрочнением или деформационным упрочнением, отказы обычно происходят в зоне термического влияния непосредственно рядом со сварным швом, а не непосредственно в нем.

Это особенно верно для холоднокатаной стали, кованого железа и тянутого или прокатанного алюминия. При работе с этими материалами решающее значение имеет конструкция стыков, и вы должны принимать во внимание степень нагрузки, которую готовая деталь будет испытывать при эксплуатации.

Металлы с дисперсионным упрочнением претерпевают более сложные изменения, чем металлы с механической закалкой, но конечный результат аналогичен: ЗТВ проходит цикл отжига и становится мягче. Это потому, что осадок, придающий металлу прочность, растет и сгущается под действием тепла - он стареет. Это снижает эффекты дисперсионного твердения. Чем выше температура, тем быстрее металл достигает перезаряженного или ослабленного состояния. Термическая обработка после сварки может исправить это, если вы тщательно выберете присадочный металл, соответствующий характеристикам старения основного металла.

Металлы, закаленные твердым раствором , имеют наименьшее количество изменений при сварке. На линии плавления наблюдается небольшой рост зерна, но обычно его недостаточно, чтобы повлиять на свойства металла.

Закаленные трансформацией металлы реагируют во многом так же, как закаленные в твердом растворе металлы, при условии, что они обладают достаточной способностью к закаливанию для образования мартенсита во время термообработки или образования мартенсита при предыдущих термообработках. Температурный профиль упрочненного трансформационно-упрочненного металла идентифицирует четыре основных области в ЗТВ, причем подвод тепла определяет как ширину ЗТВ, так и ширину каждой области.

Чем выше погонная энергия, тем шире зона термического влияния и тем медленнее скорость охлаждения. Более медленные скорости охлаждения менее склонны к образованию мартенситных областей. Следовательно, вы можете уменьшить хрупкость шва после сварки путем предварительного нагрева, чтобы замедлить скорость охлаждения, хотя вам также может потребоваться дополнительный нагрев сварного шва для дальнейшего замедления охлаждения. Это также означает, что чем тверже ЗТВ, чем больше мартенсита и чем больше мартенсита, тем больше вероятность растрескивания.

Преимущества термической обработки

Вследствие всего этого термическая обработка после сварки часто очень полезна для поддержания прочности сварного соединения, поскольку она смягчает или закаливает любой мартенсит или бейнит, образовавшийся в ЗТВ.Он также снимает напряжения, которые могут привести к растрескиванию.

Фактически, правильная термообработка может изменить размер зерна; изменить пластичность, твердость, ударную вязкость или предел прочности на разрыв; улучшить магнитные или электрические свойства и обрабатываемость; снять стресс; перекристаллизовать холоднодеформированные металлы; и даже изменять химический состав и свойства поверхности металла (цементирование).

Главное - правильно провести термообработку: это больше, чем просто поднести к стали горелку и дать ей немного остыть.Критические факторы термообработки - это то, что вы могли ожидать: температура, время и скорость охлаждения. Конечно, химический состав окружающих материалов также влияет на эффективность.

Методы и советы по термообработке

Когда дело доходит до контролируемого нагрева металла, есть несколько способов сделать это, в том числе кислородные горелки или топливно-воздушные горелки и цветные карандаши для индикации температуры, нагрев в печи, индукционный нагрев, нагрев электрическим сопротивлением, природный газ или соль с электрическим нагревом. или ванна с расплавленным металлом.

Существует также ряд методов контролируемого охлаждения, включая постепенное охлаждение печи, охлаждение на неподвижном воздухе, охлаждение в перемешиваемом воздухе, охлаждение с помощью вентилятора, водяное охлаждение и охлаждение металла, погруженного в песок.

Но с точки зрения нагрева и охлаждения контроль имеет решающее значение. То есть возможность контролировать, насколько медленно (или быстро) деталь нагревается, а также температуру, до которой она нагревается, как долго она выдерживается при этой температуре и сколько времени требуется, чтобы снова остыть до комнатной температуры.И спецификации для всех этих переменных зависят не только от металла, но и от того, что вы хотите получить при термообработке.

Например, вы можете захотеть смягчить металл, чтобы упростить механическую или холодную обработку или снять внутренние напряжения при сварке или формовке. Это осуществляется путем отжига, в основном четырехэтапного процесса, который включает:

  1. Нагрев металла до температуры на 50–100 градусов по Фаренгейту выше температуры этого металла A 3 .
  2. Выдержка металла при этой температуре в течение одного часа на дюйм толщины.
  3. Медленное охлаждение в печи с минимально возможной скоростью до температуры на 50 градусов ниже ее температуры A 1 .
  4. Охлаждение металла до комнатной температуры.

Тепловая пропитка выравнивает температуру по всему металлу и делает его полностью аустенитным. Поскольку он очень медленно охлаждается, аустенит превращается в феррит и перлит, и металл достигает самого мягкого состояния с малым размером зерна, хорошей пластичностью и отличной обрабатываемостью.

Нормализация - это еще один метод термической обработки, который часто используется для подготовки металла к будущей термообработке.Нормализация может повысить однородность внутренней структуры металла, улучшить пластичность и снизить внутренние напряжения. И хотя это действительно делает металл более мягким, это не делает его таким же мягким, как полный отжиг. Нормализация включает в себя нагрев металла до температуры, немного превышающей его температуру 3 , выдержку при такой температуре для образования аустенита и затем медленное охлаждение на неподвижном воздухе.

Термическое снятие напряжения - это именно то, о чем говорится: термическая обработка для снятия внутреннего напряжения. Он включает в себя нагрев металла до температуры ниже нижней температуры превращения (A 1 ), выдержку его там достаточно долго, чтобы снять заблокированное напряжение, а затем медленное охлаждение.Иногда это называют технологическим отжигом.

Для стали, снимающей напряжение, наиболее распространенный диапазон температур составляет от 1100 до 1150 градусов по Фаренгейту. Это достаточно высокий уровень, чтобы снизить остаточные напряжения текучести на 80 процентов, но достаточно низкий, чтобы предотвратить любые металлургические изменения в большинстве сталей. Вы можете получить до 90 процентов снятия напряжения, нагревая металл до температуры чуть ниже критической, но некоторые стали могут стать хрупкими после снятия термического напряжения при этих температурах.

Это охватывает основы того, как сварка влияет на термообработанные металлы, и некоторые способы борьбы с этим воздействием с помощью методов термообработки.В следующий раз мы вернемся к некоторой теории и начнем более внимательно рассматривать специфику металлургии.

.

Металлургия для сварщиков

Металлургия влияет на то, как вы подходите к применению каждый день, а также на оборудование и присадочный металл, которые вы используете. Как только вы узнаете свариваемость материала и то, как он реагирует на нагрев и охлаждение, у вас будет больше шансов на успешное завершение работы.

Словарь Вебстера определяет металлургию в широком смысле как «науку и технологию металлов». Но с практической точки зрения металлургия влияет на ваш подход к сварке, используемое оборудование и присадочный металл, а также на проблемы, с которыми вы сталкиваетесь в процессе сварки.Неудивительно, что металлургические свойства куска металла - его механическая прочность и химический состав - также определяют, насколько хорошо он может быть сварен. От уровня углерода и серы до прочности на разрыв и того, как данный материал обрабатывается или реагирует на нагрев и охлаждение, - каждый элемент влияет на успех или неудачу сварочного процесса.

При сварке любого материала ваша цель - противостоять изменению его микроструктуры и сохранить его механические и химические свойства.Для этого каждый сварщик должен учитывать эти ключевые металлургические вопросы перед тем, как приступить к работе.

1. Можно ли сваривать?

Очень важно знать как можно больше о материале, прежде чем зажигать дугу. Спросите себя, поддается ли он сварке? Свариваемость означает способность двух частей материала свариваться вместе и при этом сохранять требуемые механические и химические свойства для применения. Некоторые условия могут повлиять на свариваемость материала, и есть несколько вещей, которые вы должны уметь делать, чтобы обеспечить успешную работу.

Определите материал. Иногда бывает трудно определить свариваемость материалов. Вам может потребоваться сварить деталь, не зная, из какого она материала. Или вы можете получить деталь от клиента, который не указал эту информацию. Перед тем, как приступить к процессу сварки, рекомендуются химические и искровые испытания для определения металлургии материала.

Понимание специальных требований к сварке . Не все материалы поддаются сварке, а некоторые требуют особых мер предосторожности до, во время или после процесса.Например, такие материалы, как ресульфурированная сталь, имеют высокий уровень углерода, серы и фосфора, что делает их чрезвычайно трудными для сварки, поскольку они очень подвержены растрескиванию. Многие типы хромомолибденовой стали (серии 4000, 4100 и 4300) также имеют более высокий уровень углерода и хрома, чем углеродистые стали, и также склонны к растрескиванию, если вы не соблюдаете надлежащие процедуры сварки. К ним относятся выбор подходящего присадочного металла и использование при необходимости предварительного нагрева и термообработки после сварки (PWHT).

Оценить дизайн и подготовку стыков. В некоторых случаях конструкция стыка может повлиять на доступ к стыку, что, в свою очередь, влияет на свариваемость материала, ограничивая возможность выполнения чистого сварного шва с надлежащим проплавлением. На свариваемость также может повлиять подготовка шва. Например, материалы, подвергнутые строжке угольной дугой, могут накапливать остаточный углерод на поверхности, что может привести к растрескиванию. Или кусок материала, который был подвергнут механической обработке, может содержать остаточную обрабатывающую жидкость, которая может образовывать пористость.Краска, масло и смазка также могут повлиять на свариваемость материала, поэтому перед сваркой материал всегда следует тщательно очищать.

Учитывая эти возможные условия, вы должны сделать соответствующие приспособления, чтобы гарантировать, что сварка все еще может быть выполнена успешно. Правильная очистка материалов и выполнение надлежащих процедур сварки могут помочь решить проблемы со свариваемостью. Точно так же важен выбор присадочных металлов, которые не подвержены растрескиванию и обладают хорошей пластичностью или прочностью (в зависимости от требований данного материала).

2. Управление теплом

Подвод тепла во время сварки может отрицательно сказаться на механических свойствах материала. Когда сварное соединение создается с чрезмерно низким тепловложением, оно быстро рассеивает тепло, вызывая внутренние напряжения как в сварном шве, так и в основном материале. Подобные напряжения могут привести к разрыву двух частей материала после охлаждения. Обе ситуации, по отдельности или в сочетании, могут привести к растрескиванию.

Подобное растрескивание довольно часто встречается в хромомолибденовых сталях с высоким содержанием хрома и углерода, например в материалах серии 4000; однако это может происходить в большинстве материалов любого типа.

Высокая погонная энергия также может привести к деформации, которая обычно возникает в тонких материалах и материалах, которые сильно ограничены из-за особой конструкции сварной конструкции. Локализованное тепловложение в сварном шве приводит к изменению формы материала при охлаждении. Вы можете решить эту проблему, зажимая деталь и предварительно изгибая ее в противоположном направлении, или контролируя последовательность валиков. Ряд небольших бусинок стрингера также может помочь свести к минимуму деформацию, поскольку он снижает количество тепла, попадающего в сварную деталь.В некоторых материалах, таких как закаленная и отпущенная сталь, высокое тепловложение может привести к размягчению и ослаблению материала.

Предварительный нагрев является ключевым фактором в управлении подводом тепла и предотвращении быстрого охлаждения. Всегда следуйте правильным рекомендациям по PWHT для вашего приложения.

По всем этим причинам для вас очень важно следить за тем, сколько тепла вы вкладываете в сварное соединение во время процесса сварки, и соответственно контролировать его. Уравнение, которое вы можете использовать для определения тепловложения:

Ампер × Вольт × 60 / Скорость перемещения (в дюймах в минуту) = Килоджоули на дюйм.

Вы также можете использовать эффект закалки, чтобы улучшить микроструктуру зерен сварного шва и придать ему хорошую прочность. Чтобы создать закаленный валик, добавьте два-три дополнительных валика сварного шва поверх сварной детали, в результате чего дополнительное тепло попадет в валик внизу, тем самым закаляя его.

Другой вариант - предварительный нагрев. Нагревание материала до заданной температуры перед сваркой может помочь снизить остаточные напряжения в материале и предотвратить его слишком быстрое охлаждение, которое вызывает изменения микроструктуры материала, которые приводят к растрескиванию, деформации и размягчению.Мониторинг и контроль температуры между проходами многопроходных сварных швов также важны, как и выполнение процедур медленного охлаждения.

3. Предотвращение быстрого охлаждения

В сочетании с регулированием тепловложения вам также необходимо контролировать скорость охлаждения сварного шва. Неконтролируемое охлаждение может вызвать множество проблем как внутри сварного шва, так и в основном материале. При быстром охлаждении в микроструктуре металла образуются более мелкие зерна, а при медленном охлаждении - более крупные и крупные зерна.Чрезмерно высокая или низкая скорость охлаждения снижает трещиностойкость металлов.

Быстрое охлаждение чаще всего происходит в тандеме с условиями низкого тепловложения, как обсуждалось ранее, но оно может происходить и без них. Например, если вы сварите толстый кусок материала без предварительного нагрева, он станет большим радиатором. Несмотря на то, что он может не сильно нагреваться, он отводит тепло после завершения сварки, что вызывает быстрое охлаждение материала.

Быстрое охлаждение может привести к деформации, повышению твердости и снижению пластичности.В некоторых случаях он также может вызывать водородное растрескивание, которое часто называют холодным растрескиванием или растрескиванием в зоне термического влияния (HAZ). Этот тип дефекта начинается в основном металле и по мере его развития переходит в поперечный шов. Это результат как остаточных напряжений, так и присутствия диффундирующего водорода в сварном шве, а также изменений микроструктуры материала.

Чтобы предотвратить быстрое охлаждение, предварительно нагрейте основной металл и контролируйте температуру между проходами при многопроходной сварке.Предварительный нагрев дает дополнительное преимущество, позволяя дуге легче проникать в сварное соединение. Вы также можете выполнить PWHT, выдерживая готовый сварной шов при заданной температуре в течение определенного периода времени с помощью такого процесса, как индукционный или печной нагрев. PWHT помогает снять остаточные напряжения и выводит из сварного соединения диффундирующий водород, чтобы минимизировать вероятность растрескивания.

4. Подходящие присадочные металлы

Выбор подходящего присадочного металла может сыграть роль в преодолении проблем, связанных с химическими и механическими свойствами материала.Как правило, в большинстве случаев требуется, чтобы присадочный металл «соответствовал» пределу прочности на растяжение или предел текучести материала-основы. Здесь цитируется соответствие слов, потому что эти две сильные стороны могут быть неточными.

В некоторых случаях может быть желательно «не соответствовать» прочности присадочного металла основному материалу. Недостаточное согласование может быть полезным, поскольку оно помогает повысить ударную вязкость и пластичность и может помочь минимизировать остаточные напряжения в сварной детали.

Хотя существуют дополнительные металлургические аспекты, о которых вам следует знать, основными из них являются определение свариваемости, контроль нагрева, предотвращение быстрого охлаждения и соответствие присадочного металла.Чтобы предотвратить изменение микроструктуры сварного шва и материалов, которые он скрепляет, всегда помните о предписанных процедурах и знайте, какой тип материала вы свариваете, прежде чем начинать любой процесс.

.

Смотрите также