12.02.2018

Рекомендации по выбору температуры предварительного подогрева, между проходами и послесварочной термической обработки


По аналогии с конструкционными сталями необходимо регулировать температуру предварительного подогрева и между проходами для предотвращения растрескивания, вызванного водородом. При содержании углерода менее 0,06 % в мартенситных нержавеющих сталях, примерами которых могут служить стали 410NiMo, CA-6NM и супермартенситные, такого управления температурами предварительного подогрева и между проходами может не потребоваться при сварке тонколистовых деталей либо потребуется минимальный подогрев до 120 °C (250 °F) при толщине деталей более 12 мм (0,5 дюйма). При содержании углерода в пределах от 0,06 до 0,30 % потребуются предварительный подогрев и управление температурой между проходами шва. При этом в условиях сварки тонколистовых деталей такие температуры поддерживают ниже значения Ms для обеспечения полного протекания мартенситного превращения и диффузии водорода.

В толстолистовых сварных изделиях температура предварительного подогрева и между проходами во избежание образования холодных трещин в процессе сварки должна быть выше значения Ms. По окончании сварки сварное соединение должно медленно охлаждаться до комнатной температуры, обеспечивая достаточную выдержку для диффузии водорода при протекании мартенситного превращения. Следует помнить, что водород имеет высокую растворимость в аустените и образование водородных трещин менее вероятно, если превращение происходит медленнее.

Для сталей с содержанием углерода более 0,3 % температура предварительного подогрева и между проходами должна быть выше значения Ms по изложенным выше причинам. Эти стали следует подогреть до температуры аустенитного состояния, медленно охладить, обеспечив мартенситное превращение, и подвергнуть отпуску. Такая процедура оптимизирует свойства металла шва по отношению к свойствам основного металла. Применительно к высокоуглеродистым мартенситным нержавеющим сталям возможен другой подход. Как отмечалось ранее, обеспечив соответствующую температуру подогрева и между проходами, следует сразу подогреть сварное соединение (не охлаждая) до температуры, при которой аустенит наибыстрейшим образом трансформируется в феррит и карбиды (обычно при температуре 700 °C (1290 °F)), если содержание никеля в стали незначительно или он отсутствует. Затем необходимо выдержать сварное изделие в течение нескольких часов при такой температуре, чтобы обеспечить протекание равновесных изотермических превращений. При таком подходе в металле шва протекают превращения, а основной металл будет подвергнут отпуску, что приведет к низкой твердости металла сварного соединения в целом. В случае необходимости оно может быть легко обработано резанием до требуемых размеров, подвергнуто аустенизации и закалено.

Температурой предварительного подогрева и между проходами можно управлять таким образом, чтобы способствовать мартенсит-ному превращению или избегать его при охлаждении в условиях сварки. По аналогии с конструкционными сталями некоторый подогрев До температуры не выше 120 °С (248 °F) рекомендуется для удаления влаги с поверхности. Для большинства мартенситных нержавеющих сталей этот уровень температуры подогрева и между проходами также позволит полностью произойти мартенситному превращению при охлаждении в процессе сварки, как показано на рис. 4.15 (область А).

Если температура подогрева и между проходами сохраняется ниже значения Mf (см. рис. 4.15, область А), то металл шва и ЗТВ в процессе сварки трансформируется в мартенсит. При этом последующие проходы приведут к отпуску мартенсита. Если промежуточные температуры будут между значениями Ms и Mf, в микроструктуре останется некоторое количество аустенита, которое будет нагрето до температуры отпуска (рис. 4.15, область В). Это приведет к образованию неотпущенного мартенсита при охлаждении с температуры отпуска. При сварке толстолистовых деталей или высокоуглеродистых сталей иногда рекомендуют сохранять температуру между проходами выше значения Ms, как показано на рис. 4.15, область С. Эго позволит предотвратить образование мартенсита при сварке и в свою очередь избежать образования водородных трещин. Затем следует сварную конструкцию охладить ниже значения Mf. и подвергнуть отпуску.

Важно знать температуру превращения основного и присадочного материалов, чтобы правильно задавать температуру предварительного подогрева и между проходами и не допускать образования неотпущенного мартенсита (см. рис. 4.15, область В). С этой целью полезно использовать соотношения для расчета Ms (см. табл. 4.3). При этом следует соблюдать осторожность, так как такие соотношения дают несовпадающие величины и некоторые из них были разработаны для низколегированных сталей, а не для мартенситных нержавеющих. Рекомендуется иметь в "запасе" минимум 50 °C при расчете значения Ms.
Ранее предложенные авторами работы формулы для низколегированных сталей явились в дальнейшем основой формул для мартенситных нержавеющих сталей авторов работы. Аналогичные формулы применительно к низкоуглеродистым сталям, предложенные независимо авторами работ, были доработаны авторами работы за счет введения дополнительных коэффициентов к концентрациям кремния и кобальта для расчета с достаточной точностью значений Ms для мартенситных нержавеющих сталей. Автором работы рекомендована формула непосредственно для мартенситных нержавеющих сталей. Авторами работы на основании регрессионного анализа данных 16 разных исследований получена формула, позволяющая учесть взаимодействие различных факторов. Данные, приведенные в табл. 4.3, не являются исчерпывающими. Каждое прогнозируемое уравнение основывается на химическом составе основного металла или металла шва с соответствующими постоянными слагаемыми и коэффициентами, принимаемыми по табл. 4.3:
Следует иметь в виду, что большинство коэффициентов отрицательны и прогнозируемая температура начала мартенситного превращения меньше начальной постоянной температуры. В разделе 4.7 приведены сопоставления расчетов, выполненных для ряда сталей по различным уравнениям.

Выбор послесварочной термической обработки связан с дополнительными проблемами при сварке мартенситных нержавеющих сталей с высоким содержанием никеля. Рассмотрим для примера сталь марки CA-6NM или 410NiMo. При содержании никеля 4,5 % в стали температура ACl (температура, при которой на стадии нагрева из мартенсита формируется аустенит) понижается до температуры примерно 635 °C (1175 °F). Это эффективно устраняется в конце послесварочной термической обработки при указанной и более высокой температуре, поскольку охлаждение приводит к образованию свежего мартенсита из аустенита, при этом окончательная сварочная термическая обработка при этой и более высокой температуре не требуется.

При изготовлении сварных элементов магистральных трубопроводов для транспортировки сырой нефти перед ее очисткой от кислотных загрязнений, включая воду, сероводород, углекислый газ и хлориды, часто применяют стали марки CA-6NM или 410NiMo. Такая неочищенная нефть считается кислой средой, является полностью коррозионной и в процессе эксплуатации трубопроводов приводит к насыщению стали водородом и способствует образованию трещин в "твердых" швах. В нефтяной промышленности обычно устанавливается максимальная твердость металла швов, равная 22 HRC. Этого трудно добиться в условиях отпуска при температурах ниже ACl. Было установлено, что необходимо проводить двойной отпуск: первый при температуре выше ACl, но ниже ACl, т. е. температуры полного превращения аустенита с последующим охлаждением до комнатной температуры, повторный — при температуре ниже ACl. Первый отпуск приводит к превращению части металла шва (возможно, и основного металла) в аустенит и обеспечивает высокий отпуск не трансформирующейся части мартенсита. Охлаждение до комнатной температуры необходимо, так как оно обеспечивает протекание мартенситного превращения в аустенизированной части металла. Этот новый мартенсит становится менее твердым при повторном отпуске. В табл. 4.5 приведены данные применительно к металлу шва стали марки 410NiMo при использовании двойного отпуска.





Яндекс.Метрика