Когда сварной раме нужно снятие остаточных напряжений, а когда нет
При сварке тепло вводится в небольшой объём крупной детали. Этот объём расширяется, его сдерживает окружающий холодный металл, а затем при остывании он даёт усадку. В результате в конструкции остаются остаточные напряжения, местами близкие к пределу текучести материала.
Рама выглядит нормально. Размеры в норме. Затем фреза вскрывает поверхность, снимает металл, который удерживал эти напряжения в равновесии, и деталь ведёт.
Что на самом деле даёт снятие напряжений
Снятие остаточных напряжений не делает деталь прочнее и не исправляет плохую сборку под сварку. Оно снижает остаточные напряжения, заложенные сваркой, чтобы деталь оставалась стабильной при снятии металла.
В термическом цикле сталь нагревают до температуры, при которой её предел текучести опускается значительно ниже уровня остаточных напряжений. Материал больше не может их удерживать, и они релаксируют за счёт небольших пластических деформаций, пока деталь горячая и равномерно оперта. Если охлаждать медленно и равномерно, деталь выходит из печи с гораздо более низким уровнем напряжений, чем до неё.
Ключевое слово здесь «равномерно». Быстрое или неравномерное охлаждение сразу же вносит новые напряжения, поэтому скорости нагрева и охлаждения важны не меньше, чем температура выдержки.
Когда деталь в этом нуждается
Задайте о детали четыре вопроса.
Сколько в ней наплавленного металла? Рама с сотнями метров швов накапливает намного больше энергии, чем кронштейн с четырьмя угловыми швами.
Насколько жёстко закреплены соединения? Швы в жёсткой коробчатой конструкции не могут свободно усаживаться, и напряжениям некуда деться. Открытые, незакреплённые соединения разгружаются сами при остывании.
Сколько металла снимается при обработке? Съём 5 мм с поверхности практически приглашает нижележащее сечение к релаксации. Съём 0,5 мм с небольшой площадки такого эффекта не даёт.
Насколько жёсткий допуск у элемента, который должен сохраниться? Соосность отверстий по длинной раме, требование плоскостности на посадочной поверхности, параллельность направляющих. Если такие значения есть на чертеже, снятие напряжений обычно входит в решение.
Если три или четыре ответа указывают в одну сторону, заложите эту операцию в бюджет.
Типовой термический цикл
Для углеродистых и низколегированных сталей распространён такой режим:
| Этап | Типовое значение |
|---|---|
| Скорость нагрева выше 300 °C | Контролируемая, часто 100-200 °C в час в зависимости от толщины |
| Температура выдержки | 580-650 °C |
| Время выдержки | Около одного часа на 25 мм самого толстого сечения, с указанным минимумом |
| Охлаждение в печи | Контролируемое примерно до 300 °C, затем на спокойном воздухе |
Это данные опубликованной практики, решающее же слово за применимым нормативом или техническими условиями. Две группы материалов требуют отдельного разговора. Закалённые и отпущенные стали, например A514 или S690QL, получили свои свойства в результате термообработки, и слишком горячий или слишком длительный цикл снятия напряжений частично их отнимет. У аустенитной нержавеющей стали собственный диапазон сенсибилизации, поэтому режим для углеродистой стали на неё переносить нельзя.
Вибрационное снятие напряжений
При вибрационном снятии напряжений к детали крепят вибратор, проходят диапазон частот, находят резонансы и выдерживают деталь на них определённое время. Это быстро, стоит малую долю от времени печи, не требует печи, в которую поместится рама длиной 6 м, и не образует окалины на поверхности.
При этом процесс другой. Он не меняет металлургию, действует в основном на пиковые напряжения, а не на всё поле напряжений, и нормативы, требующие послесварочной термообработки по металлургическим причинам, не примут его в качестве замены.
На практике он оправдан на крупных станинах, где цель состоит в размерной стабильности при обработке, а не в соответствии нормативу, а альтернативой было бы везти деталь массой 4 т к печи за двести километров. Спросите предприятие, что на его опыте работало на похожих деталях и как оно проверяет результат.
Где эта операция в маршруте
Для большинства сварных конструкций с мехобработкой работает такой порядок:
- Резка и подготовка
- Сборка и прихватка
- Сварка по спланированной последовательности
- Контроль швов
- Снятие остаточных напряжений
- Черновая обработка, если припуск большой
- Чистовая обработка
- Нанесение покрытия с маскированием обработанных поверхностей
На ответственных деталях встречаются два варианта. На интенсивно сваренной раме с очень жёсткой геометрией некоторые предприятия проводят черновую обработку, повторно снимают напряжения и только затем выполняют чистовую. Это ещё один цикл печи, и он оправдан, если деталь уже показала, что её ведёт.
Второго варианта следует избегать. Перенос снятия напряжений на этап после обработки не экономит деньги. Он даёт деталь, которая была в допуске при измерении на предприятии и выходит из допуска у Вас в цеху.
Что указать на чертеже
Сформулируйте требования так, чтобы предприятие могло их оценить:
- «Снять остаточные напряжения после сварки, перед механической обработкой». Не просто «снять напряжения».
- Метод, если он для Вас важен: термический или вибрационный. Если не важен, так и напишите, и пусть предприятие предложит вариант.
- Состояние, к которому относится каждый геометрический допуск, например «плоскостность 0,1 мм после снятия напряжений и чистовой обработки».
- Нужен ли протокол. Диаграмма «время-температура» из печи обычна, и запросить её на этапе КП недорого, а после неудобно.
Если Вы не уверены, какой путь выбрать, задайте этот вопрос в запросе КП. У предприятия, которое каждую неделю сваривает и обрабатывает такие детали, есть мнение, которое ценнее эмпирического правила, и спросить до расчёта ничего не стоит, в отличие от вопроса после первой детали.
Нужна рама, которая должна сохранять геометрию после механической обработки? Отправьте чертёж, и мы подберём предприятия, у которых есть и печь, и станок.
Частые вопросы
Всякой ли сварной конструкции нужно снятие остаточных напряжений?
Нет. Слабо сваренному кронштейну со свободными допусками оно не нужно. Интенсивно сваренной раме с отверстиями или посадочными поверхностями, которые должны сохранять положение, обычно нужно, потому что именно напряжения, высвобождаемые при резании, смещают эти элементы.
При какой температуре снимают напряжения в углеродистой стали?
Обычно при 580-650 °C с выдержкой около одного часа на каждые 25 мм толщины плюс контролируемая скорость нагрева и охлаждения. Точный режим определяется применимым нормативом и материалом. Для закалённых и отпущенных сталей действуют собственные ограничения, поскольку цикл может повлиять на результат отпуска.
Является ли вибрационное снятие напряжений реальной альтернативой печи?
Его применяют в промышленности, оно намного быстрее и стоит лишь малую долю от времени печи. Однако оно работает иначе, чем термический цикл, и принимается не везде, где норматив требует послесварочной термообработки. Рассматривайте его как вопрос для обсуждения с предприятием, а не как равноценную замену.
Нужна цена на такую деталь?
Отправьте чертёж. Мы подберём до 3 предприятий, которые сами сваривают и обрабатывают такие детали, и ответим в течение 24 рабочих часов.
Подобрать сварочное производство