Обработка сварного шва после сварки

Сварка — самый надежный, быстрый и экономичный способ создания неразъемных соединений металлов и их сплавов. В ходе сварочного процесса металл нагревается до температуры плавления. Это вызывает в нем внутренние напряжения. Кроме того, на поверхности сварочного шва остается шлак. Для удаления шлака и снятия внутренних напряжений в металле применяются различные способы обработки сварного шва.

Основные способы обработки сварных соединений

Наиболее распространенными стали следующие методы обработки сварного шва:

• Термическая. Применяется для ликвидации внутренних остаточных напряжений. Проводится путем локального или общего прогрева.
• Механическая. Зачистка сварных швов после сварки удаляет шлаки и окалину с поверхности соединения.
• Химическая. Состоит из обезжиривания и покрытия защитным слоем. Препятствует возникновению коррозионных очагов. Метод используют для обработки материалов, подверженных коррозии, которым предстоит работать в активных средах.

Способ воздействия выбирают, применяясь к техническим требованиям к конструкции и условиям ее эксплуатации. Часто применяют последовательно все три метода.

Термообработка

Термическая обработка сварных соединений обязательно проводится после сварки тонкостенных изделий, особо подверженных деформациям под воздействием внутренних напряжений. К таким конструкциям относятся трубопроводы, различные емкости, сосуды давления.

Термическая обработка сварного шва

Проводится термообработка и для большинства ответственных конструкций, таких, как корпуса атомных и химических реакторов.

Заключается термообработка в нагреве детали и ее последующем охлаждении по строго заданному температурному графику.

Зачем нужна

В ходе сварки нагревается небольшая область детали в районе шва. Неравномерный прогрев и приводит к возникновению внутренних напряжений, способных деформировать или даже разрушить деталь. Кроме того, в зоне неравномерного нагрева изменяется структура кристаллической решетки металла, что приводит к ухудшению его физико-механических и химических свойств.

Рядом со сварным швом зона закалки, в которой прочность повышена, а упругость, наоборот, понижена. Ее окружает зона разупрочнения, в которой пластичность сохраняется, а прочность становится ниже, чем была до сваривания.

Термическая обработка сварных соединений призвана восстановить внутреннее строение металла и его свойства, вернуть характеристики прочности, пластичности и коррозионной устойчивости к проектным значениям.

Особенности проведения

Обработка осуществляется при высоких температурных значениях, в диапазоне 600- 1000 °С. Это позволяет преодолеть негативные последствия неравномерного нагрева и приблизить структуру шва и околошовной зоны к структуре самой детали.

Обработка проходит в три стадии:

• Нагревается область рядом со швом.
• Конструкция выдерживается некоторое время в нагретом состоянии.
• Изделие охлаждается в соответствии с графиком обработки.

Процесс термообработки швов на трубопроводе

Существует несколько видов обработки сварного шва. Выбор зависит от конфигурации конструкции, толщины детали и цели, которую собираются достигнуть.

Для каждого вида обработки применяется свой специфический график нагрева, выдержки и охлаждения.

Достоинства и недостатки

К достоинствам обработки нагревом относят:

• Восстановление целевых характеристик прочности и пластичности;
• Снятие внутренних напряжений, обеспечение долговечности шва и всей конструкции;
• Улучшение, при необходимости, этих показателей.

Отрицательные моменты при проведении обработки нагревом следующие:

• Высокие требования к квалификации работников.
• Необратимость процессов. В случае несоблюдения графика термообработки сварных швов исправить брак практически невозможно.
• Требуется дорогостоящее и громоздкое оборудование
• Высокое энергопотребление, низкая экологичность.

В большинстве случаев преимущества перевешивают недостатки.

Что подвергают обработке

Термообработке подвергают сварные швы в ответственных конструкциях. Сюда входят

• магистральные трубопроводы
• сварные конструкции различных механизмов и станков, испытывающих высокие нагрузки
• изделия, которым предстоит работать в сложных условиях эксплуатации.

При термообработке сравнительно небольших изделий используют муфельные печи.

Самодельная муфельная печь

Для обработки нагревом габаритных конструкций применяют нагрев пламенем газовых горелок или индукционный способ. В отдельных случаях применяют радиационный метод.

Термообработку для повышения коррозионной стойкости следует проводить по возможности скорее по окончании сварки.

Параметры проведения процесса

Продолжительность процесса во многом определяется маркой сплава и толщиной заготовки. Для хром-молибденовых сплавов применяют индукционный или радиационный способы нагрева. С увеличением толщины типовая продолжительность нагрева (в минутах) растет:

Толщина детали, см	Радиационный	Индукционный
2,0	40	25
2,0-2,5	70	40
2,5-3,0	100	40
3,0-3,5	120	60
3,5-4,5	140	70
4,5-6,0	150	90
6,0-8,0	160	110

Индукционный способ требует меньшего времени на обработку, но отличается большими энергозатратами. Перед обработкой следует обязательно выполнить зачистку сварочного шва.

Используемое оборудование

Термообработка сварных швов выполняется с использованием нескольких основных способов, каждый требует своего набора оборудования:

• Индукционный. Требует генератора высокочастотного переменного тока большой мощности. Нагревательным элементом является катушка индуктивности, намотанная поверх участка детали, подлежащего нагреву.
• Радиационный. Используется инфракрасное излучение от нагретой нихромовой проволоки, через которую пропускается сильный электрический ток. Требует мощных источников тока. Может применяться для прогрева материалов со слабыми электромагнитными свойствами.
• Газовый. Наиболее экономичный по энергозатратам способ. Используется специальная горелка. Факел пламени формируется так, чтобы равномерно прогневать зону термообработки.

Выбор метода нагрева проводят, сопоставляя цель обработки, толщину конструкций, характеристики материала и экономические соображения.

Виды термической обработки

Виды термообработки сварных швов различаются по своей цели. Специалисты отличают следующие процессы:

• Отдых. Конструкцию доводят до 300 °С и выдерживают полтора — два часа. Снижает механические напряжения и снижает содержание водорода в материале шва.
• Отпуск. Состоит в нагреве до 700 °С и трехчасовой выдержке. Практически полностью снимает напряжения, дает возможность повысить пластичность.
• Нормализация. Всю конструкцию, включая шов, нагревают до 800 °С и выдерживают 30-40 минут. Позволяет достичь однородности и мелкозернистости структуры металла. Используется на изделиях малой толщины.
• Аустенизация. Изделие нагревают до 1100 °С и выдерживают 120 минут. Охлаждение проводят при комнатной температуре. Повышает пластичность высоколегированных сплавов за счет преобразования их кристаллической структуры.
• Отжиг. Нагрев до 960 ° С, трехчасовая выдержка и остывание при комнатной температуре. Используется для высоколегированных сплавов для повышения коррозионной стойкости.

Как правило, перед термообработкой проводится зачистка сварного соединения.

Контроль температуры

При проведении термообработки ключевое значение имеет температура нагрева конструкции. Для контроля температуры применяют:

• Термокарандаш и термокраска. Представляют собой химическое соединение, меняющее цвет по мере изменения температуры. Наносятся на поверхность изделия.
• Тепловизоры и пирометры. Электронные устройства, дистанционно измеряющие температуру.

Термокарандаши и термокраска – традиционные средства, достаточно трудоемкие в применения и требующие постоянного визуального контроля со стороны оператора и его оперативного вмешательства в случае выхода параметров за пределы допустимых значений.

Тепловизоры и пирометры обладают большей точностью и могут быть встроены в автоматическую систему поддержания постоянной температуры.

Другие виды обработки

Кроме термообработки, широко используются также механические и химические виды очистки сварных швов.

Механическая

Проводится с использование проволочных щеток или абразивных дисков. В промышленных условиях щетка, диск или лепестковая абразивная насадка закрепляет в угловой шлифовальной машинке (в быту называемой «болгарка»)

Способом механической зачистки с поверхности соединения удаляют шлаки, окалину, брызги застывшего металла и оксидную пленку.

Механическая обработка сварного шва

Зачистка сварного шва после сварки применяется перед термообработкой или покраской.

Химическая

Призвана удалить с поверхности шва следы жира, смазки, оксидные пленки и другие загрязнения. Проводится перед нанесением на конструкцию покрытий, предохраняющих от коррозии.

Травление — обработка сильнодействующими кислотами — проводится перед механической обработкой. После нее проводят пассивацию — нанесение вещества, образующего на поверхности защитную пленку.

Химическая обработка сварного шва

Химическая обработка металла проводится химически активными веществами, многие из которых пожароопасны и могут причинить серьезный вред здоровью. Поэтому следует строго соблюдать правила техники безопасности.

Способы обработки швов после сварки

Сварные швы отвечают за целостность металлической конструкции. В частности, соединение должно быть достаточно прочным, устойчивым к ржавлению, влажности. Обработка сварных швов призвана обеспечить выполнение этих задач.

Методы обработки

Существует три методики, с помощью которых защищаются сварные соединения:

1. Термическая обработка. Благодаря этому способу можно убрать остаточные напряжения в материале, возникающие вследствие сварочных работ. Термообработка проводится по одной из двух технологий: местной, когда прогревается или охлаждается только само соединение, или общей — температурной обработке подлежит вся деталь.
2. Механическая обработка. В данном случае задача состоит в удалении остатков шлака и проверке надежности соединения. Типичный пример механической обработки — простукивание шва молотком или выполнение его зачистки. Если шлак не удалить, возможно развитие коррозии.
3. Химическая обработка. Нанесение защитных покрытий на соединение — один из способов борьбы с коррозийными процессами. Наиболее доступный вариант химической защиты — обработка шва грунтовочным лакокрасочным материалом.

Ниже остановимся на технологиях защиты сварных швов более подробно.

Термическая обработка

Помимо уменьшения остаточных напряжений металла, термообработка позволяет добиться следующих целей:

• сделать структуру шва и околошовных зон более приспособленной к воздействию внешних факторов;
• оптимизировать физические и эксплуатационные свойства материала, в частности, повысить стойкость к ржавлению, жаропрочность и т.д.

Термическая обработка сварных соединений предполагает нагрев на определенное время сварного соединения или всего металла до заданной температуры. Далее происходит искусственное охлаждение, которое также производится по определенному сценарию.

Оборудование для термообработки

Для термической обработки стыков может использоваться четыре вида технологического оборудования:

1. Индукционные устройства. Индукционный нагрев часто применяется во время прокладки трубопроводов. Суть этого метода состоит в использовании медных индукторов, включающих в себя многожильный медный кабель с воздушным охлаждением. Во время монтажа индуктора на трубопровод нужно принимать во внимание расстояние между трубой и индуктором. Общее правило: чем больше зазор между объектами, тем хуже используется мощность оборудования.
2. Гибкие нагреватели сопротивления. Данный способ считается одним из самых удобных и доступных способов обработки сварных швов.
3. Муфельные печи. При работе с этим видом оборудования нужно особое внимание уделять равномерности нагрева соединения, что достигается нецентрированной установкой детали в печь.
4. Нагрев с помощью газопламенного оборудования. При газопламенном нагреве применяются сварочные и особые многопламенные газовые горелки. Газовые нагреватели выделяют тепловую энергию, возникающую в результате сгорания смеси горючего газа с кислородом.

Оборудование для нагрева подбирается исходя из монтажных условий, доступности того или иного вида устройств и прочих обстоятельств. Нагревательное оборудование должно отвечать определенным требованиям: четко стыковаться со сварными швами, иметь не слишком большую массу и обеспечивать равномерный нагрев соединения как в ширину, так и в длину.

Чтобы сократить теплопотери, при термообработке сварных соединений используются всевозможные теплоизоляторы.

Теплоизоляция должна быть теплоустойчивой при небольшой теплопроводности, прочной, но в то же время гибкой, устойчивой к износу и безопасной в эксплуатации.

Способы термообработки

Известно несколько методов термической обработки сварных соединений:

1. Предварительный нагрев. Используется как до проведения сварочных работ, так и в момент сваривания деталей. Данная разновидность термической обработки применяется при сварке конструкций из низкоуглеродистой стали. Металл прогревается до 150-200 градусов по Цельсию.
2. Высокий отпуск. Методика состоит в нагреве материала до 650-750 градусов по Цельсию (конкретный показатель температуры зависит от сорта стали). Температура поддерживается в течение 5 часов. Технология позволяет уменьшить напряжения на 80%, а также повысить устойчивость материала к механическим воздействиям и увеличить его эластичность.
3. Нормализация. Применяется по отношению к углеродистым и низколегированным маркам стали. Подобная термическая обработка соединения осуществляется при температурах от 950 градусов по Цельсию. По окончании нагрева производится выдержка и охлаждение в условиях окружающей среды. Нормализация дает возможность уменьшить зернистость металла, сократить напряжение, а также увеличивает прочность шва.
4. Аустенизация. Представляет собой закалку сварного соединения путем его нагрева до температуры 1070 градусов и выше. Деталь греется в течение 60 минут, а затем производится быстрое искусственное охлаждение. Методика широко распространена для закалки аустенитных сталей. Результат аустенизации — возросшая эластичность сварного соединения.
5. Стабилизация. От аустенизации стабилизирующий отжиг отличается более низкой температурой и менее продолжительным периодом выдержки металла.
6. Термический отдых. Технология заключается в нагреве сварного шва до 250-300 градусов по Цельсию. Затем осуществляется выдержка металла в разогретом состоянии. В результате процедуры в сварном соединении снижается уровень диффузного водорода, и уменьшаются внутренние напряжения.

Строение сварного шва при термической обработке

Выбор способа, которым будет осуществляться термическая обработка сварных соединений, зависит от физико-химических характеристик стали (определяется ее маркой). Особое значение имеет выполнение технологических требований, в противном случае происходит ухудшение качества сварного соединения.

Ключевые параметры, которые нужно учитывать при проведении местной термообработки:

• ширина нагреваемого участка;
• равномерность нагревания по толщине стенки и ширине нагреваемого участка;
• период выдержки;
• интенсивность охлаждения.

к содержанию ↑

Механическая обработка

Механическое устранение недостатков сварочных работ осуществляется при помощи проволочной щетки. Можно значительно упростить задачу и сделать зачистку качественнее, если использовать портативное шлифовальное устройство или болгарку с лепестковой насадкой. Вместо насадки также можно применить абразивный круг.

Механическая очистка позволяет убрать следующие дефекты сварного соединения:

• окалины;
• заусенцы;
• окислы;
• последствия побежалостей.

Несмотря на простоту и дешевизну технологии, существует ряд нюансов, касающихся выбора насадки, знание которых позволит выполнить работу качественнее:

1. Прежде всего, нужно выбрать шлифовальный круг из подходящего материала. Лучше всего для механической очистки подойдет круг из цирконата алюминия. Преимущество этого материала в том, что он, во-первых, провоцирует коррозийные процессы, а во-вторых, цирконат алюминия прочнее оксида алюминия, из которого также изготавливаются некоторые виды насадок.
2. Лепестки шлифовального круга должны быть на тканевой составляющей. Ткань надежнее и устойчивее к большим нагрузкам в сравнении с бумагой, которая иногда применяется на лепестках в качестве основы. Однако стоят такие насадки намного больше аналогов на бумажной основе. Более высокая стоимость тканевых насадок вполне оправдана и окупится при такой агрессивной по отношению к материалу работе, как шлифование швов.
3. Размер абразивного зерна зависит от типа выполняемой работы. Очень часто в ходе очистки соединений могут понадобиться насадки с разным размером зерна. Поэтому рекомендуется приобретать сразу несколько видов насадок.
4. Если нужно качественно зачистить шов, то разные размеры зерен просто необходимы, так как шлифовка осуществляется с постепенной сменой насадок на зерна меньшего размера. К примеру, крупные окалины убираются крупнозернистыми насадками, а вот тонкая шлифовка производится мелкозернистыми насадками. Финишная проходка осуществляется наиболее мелким зерном. Насадки следует менять последовательно — допускается пропуск не более одного размера. Однако если речь идет о создании зеркального блеска сварного соединения, нельзя пропускать ни одного размера.
5. Для обработки швов, расположенных в труднодоступных местах (полостях, кромках, отверстиях), используются особые устройства — борфрезы, устанавливаемые в шлифовальную машину. Существуют борфрезы самых разнообразных размеров и форм, поэтому подобрать нужную конфигурацию несложно.

к содержанию ↑

Химическая обработка

Лучшие результаты при обработке сварных соединений достигаются при сочетании механических и химических средств. Применяется два метода работы со швами: травление и пассивация.

Травление выполняется до механической шлифовки. Для проведения этой операции используются химические составы, обеспечивающие однородное покрытие, препятствующее коррозийным процессам. Кроме того, травление позволяет ликвидировать места, тронутые побежалостью. Дело в том, что в таких местах наблюдается скопление окислов никеля и хрома, в результате чего сталь подвергается ржавлению.

На незначительных по площади участках сварных соединений рекомендуется производить травление непосредственным нанесением состава на обрабатываемую поверхность. Если деталь достаточно большая или имеет сложную конфигурацию, ее следует помещать в емкость с раствором для травления. Время нахождения металла в травильном расходе рассчитывается в каждой ситуации индивидуально.

Когда травление закончено, наступает черед пассивации. Процесс представляет собой нанесение на металл особого состава, в результате чего образуется пленка. Данное защитное покрытие препятствует возникновению коррозии. С химической точки зрения, пассивацию можно объяснить следующим образом: оксиданты, взаимодействуя со сталью, удаляют с поверхности свободный металл, при этом активируя возникновение защитной пленки.

Завершается химическая обработка очисткой сварных соединений от реагентов. Смываемая вода содержит множество токсичных веществ, тяжелых металлов и кислот. Кислоты нейтрализуются при помощи щелочей, а затем оставшаяся жидкость фильтруется. Утилизировать отработку нужно только в специально отведенных для этого местах в соответствии с законодательством об охране окружающей среды.