Термическая обработка: зачем и когда нужно отпускать напряжения после сварки профильного каркаса

Каркас стоит ровно. Швы тщательно и правильно зачищены. Контроль пройден. Но через полгода эксплуатации без видимых причин появляется трещина или деформируется стойка. И к таким проблемам зачастую приводят остаточные сварочные напряжения. Их не видно, они не проявляются сразу. Но именно они со временем разрушают соединения, которые кажутся прочными.

Что происходит с металлом во время сварки

При сварке металлопрофиль нагревается локально до 1400–1500 °C в зоне шва. Соседние участки при этом остаются холодными. Из-за этого металл расширяется неравномерно.

Когда сварочная ванна остывает, то она стягивается. Но окружающий металл уже «занял свое место» и не дает шву свободную усадку. В результате внутри конструкции формируются остаточные напряжения. Они растягивающие в зоне шва и сжимающие в основном материале.

По данным исследований Института электросварки им. Патона, остаточные напряжения в сварных соединениях могут достигать 80–100% от предела текучести материала. Для стали марки Ст3 это 190–240 МПа. При наличии внутренних напряжений конструкция выглядит целой, но внутри она уже «натянута».

Чем опасны остаточные напряжения в каркасе из металлического профиля

Существует 3 главных риска:

1. Хрупкое разрушение.При ударной нагрузке или резком охлаждении конструкция разрушается без предварительной деформации. Трещина распространяется быстро, сокращает время реагирования на проблему.
2. Коррозионное растрескивание.В агрессивной среде (влага, химические соединения) напряженный металл корродирует в 3–5 раз быстрее. Особенно уязвимы тонкостенные металлические профили.
3. Деформация формы.Напряженный металлический профиль со временем начинает «вести». Каркас теряет форму при нагрузке или при перепадах температуры.

Для легких навесов или временных конструкций это некритично. Но если каркас подвергается нагрузке, работает в условиях вибрации или стоит под открытым небом, то обязательно нужно делать отпуск напряжений.

Когда термическая обработка обязательна

Не каждый сварной каркас требует термообработки. Но определены условия, при которых от нее нельзя отказываться. Обработка нужна, если:

• толщина стенки металлического профиляпревышает 12–16 мм;
• сталь легированная (09Г2С, 30ХГСА и их аналоги);
• конструкция подвергается динамическим нагрузкам – вибрация, удары, знакопеременный изгиб;
• каркас эксплуатируется при температурах ниже −20 °C;
• сварка выполнялась многопроходными швами с большим тепловым вложением;
• нормативная документация (ГОСТ, СП) требует термической обработки.

Для тонкостенного металлопрофиля из низкоуглеродистой стали (толщина до 6–8 мм) достаточно нормализации или контролируемого охлаждения. Это значительно дешевле полного отпуска.

Методы снятия остаточных напряжений

Для снятия напряжений в металлических конструкциях используется несколько методов. У каждого есть преимущества и ограничения, которые нужно знать.

Высокотемпературный отпуск

Самый эффективный способ. Конструкция нагревается до 550–650 °C, выдерживается при этой температуре из расчета 1–2 минуты на каждый миллиметр толщины стенки, затем медленно охлаждается вместе с печью.

Результатом такой обработки становится снижение остаточных напряжений на 85–95%. Механические свойства металла при этом не ухудшаются, а часто улучшаются за счет снятия наклепа.

Минусом этого метода является необходимость использования печи подходящего размера. Большие конструкции часто приходится обрабатывать частями или использовать локальный нагрев.

Местный термический отпуск

Этот метод применяется, когда конструкцию невозможно загрузить в печь. Зону сварного шва и прилегающий металл нагревают газовыми горелками или индукционными нагревателями до 600–620 °C.

Ширина зоны нагрева – не менее 3 толщины стенки в каждую сторону от шва. Если она будет меньше, то эффект будет частичным, а на границе зоны нагрева возникнут новые напряжения.

В металлическом профиле толщиной 8–12 мм местный нагрев снижает напряжения на 60–75%. Этого достаточно для большинства строительных конструкций.

Вибрационная обработка

Это альтернатива термического отпуска. Такая обработка используется, если нагрев невозможен или нежелателен. Конструкция вводится в резонансные колебания с частотой 20–200 Гц. В результате напряжения снижаются на 40–60%.

Вибрационная обработка дешевле термической в 3–5 раз, не требует наличия печи, может проводиться прямо на объекте. Но ее эффективность ниже. И такой метод снятия напряжений не подходит для высоконагруженных ответственных конструкций.

Статическое нагружение

Этот метод иногда применяется на производстве. Конструкцию нагружают сверх нормы, на уровне 0,9–1,0 от предела текучести. Пластическая деформация перераспределяет напряжения.

Но такое воздействие на металлический профиль требует точного расчета. Если нагрузка определена неправильно, то можно не получить желаемый результат или конструкция деформируется необратимо.

Как это влияет на выбор материала и стоимость

Цена металлопрофиля – только часть общей стоимости каркаса. Термообработка может увеличить цену изготовления конструкции на 15–30%. Но отказ от нее в определенных условиях обходится дороже.

Промышленный каркас под конвейерную линию изготовили из металлического профиля. Использовали трубу с квадратным сечением 120×120×8 мм из стали 09Г2С. При этом решили сократить бюджет и отказались от термообработки.

Через 8 месяцев эксплуатации под воздействием вибрации по сварному шву пошла трещина. Остановка производства, демонтаж, переделка, термообработка уже на месте стоили намного больше, чем удалось сэкономить.

Цены на металлопрофиль во Владимире и других промышленных городах варьируются в зависимости от марки стали и сечения. И к ним нужно сразу прибавлять затраты на термообработку, если она нужна.

Как правильно организовать процесс

Вот несколько правил, которые сокращают расходы и улучшают результат:

1. Термообработку нужно закладывать заранее.Размер конструкции должен подходить под имеющуюся печь. Иначе придется снимать напряжения с частей конструкции это значительно осложняет ее изготовление.
2. Точно контролировать скорость нагрева и охлаждения.Для углеродистой стали – не быстрее 100–150 °C/ч. Слишком быстрый нагрев создает термические напряжения вместо их снятия.
3. Вести термические журналы.Температура в разных точках конструкции должна быть равномерной. Допуск – ±25 °C. Без документирования это нельзя проверить, доказать соблюдение нормативов и технологии при сдаче объекта, изделия.
4. Выбирать сталь с учетом последующей обработки.Некоторые марки чувствительны к температурному диапазону отпуска. Например, мраки с повышенным содержанием хрома могут становиться хрупкими при 375–575 °C. Это называется отпускной хрупкостью второго рода.

Соблюдение рассмотренных правил позволяет добиться нужного результата, снижает риски возникновения проблем при эксплуатации конструкций.

Нормативная база: что требует ГОСТ

Требования к термообработке сварных соединений регламентирует ГОСТ 34347-2017 (для сосудов под давлением), ГОСТ Р 55374-2012 и отраслевые нормативы. Отпуск напряжений в строительных каркасах регулирует СП 16.13330.2017.

Если конструкция подпадает под технический регламент, то термообработка становится обязательным этапом, который требует документального подтверждения соблюдения всех требований. Пропустить отпуск напряжений в таких случаях – создать риски для эксплуатации и проблемы при сдаче объекта или изделия.

Вывод

Остаточные напряжения после сварки – не теоретическая проблема. Это фактор, который влияет на срок службы и надежность конструкции.

Металлопрофиль во Владимире и в других регионах продается с одинаковыми характеристиками. Но от того, что с ним сделают после сварки, зависит, сколько прослужит каркас. Правильно выбранный метод термической обработки, контроль температуры и документирование процесса – не бесполезные расходы. Это залог того, что конструкция будет вести себя предсказуемо в течение расчетного срока эксплуатации.

Цены на металлопрофиль во Владимире и в целом по рынку обязательно нужно учитывать. Но экономить на термообработке при объективной необходимости нельзя. Это приводит к перекладыванию рисков на этап эксплуатации, когда цена ошибки многократно возрастает.