Содержание статьи
- Введение в термическую правку
- Физический принцип термической правки
- Температурные режимы нагрева
- Формы и расположение зон нагрева
- Оборудование и методы нагрева
- Контроль температуры при правке
- Ограничения по маркам сталей
- Виды устраняемых деформаций
- Технологические требования
- Требования безопасности и ограничения
- Часто задаваемые вопросы
Введение в термическую правку
Термическая правка деформированных сварных конструкций представляет собой технологический процесс устранения остаточных деформаций путем локального нагрева металла до температур 700-800°C с последующим естественным охлаждением. Метод основан на принципе создания дополнительных пластических деформаций укорочения в зонах с излишним удлинением металла, возникшим в результате сварки.
Сварочные деформации возникают вследствие неравномерного нагрева металла в зоне сварки и последующей усадки при охлаждении. К основным видам деформаций относятся продольные и поперечные усадки, угловые деформации, изгиб, винтообразность, выпучивание стенок и полок. Термическая правка применяется в случаях, когда механическая правка невозможна или нецелесообразна из-за размеров конструкции, повышенной прочности металла или сложной геометрии изделия.
Физический принцип термической правки
Механизм термической правки основан на процессах упругопластической деформации металла при термическом воздействии. При местном нагреве деформированного участка металл в зоне нагрева переходит в пластичное состояние. В этот момент силовое взаимодействие нагретой зоны со смежными холодными зонами, обладающими упругими свойствами, практически прекращается.
При понижении температуры нагретой зоны упругие свойства металла восстанавливаются. Металл смежных зон, имеющий меньшую температуру, препятствует свободной усадке остывающей зоны. В результате возникают стягивающие силы, создающие изгибающие моменты, которые выправляют деформации металла. Остаточные напряжения растяжения, появляющиеся в местах нагрева после остывания, и вызывают эффект распрямления конструкции.
Пример действия термической правки
При правке продольного изгиба балки нагревают выпуклую сторону клиновидной зоной. После нагрева до 700-800°C и естественного охлаждения в зоне нагрева происходит укорочение металла на 0,5-1 мм, что создает изгибающий момент, противоположный исходной деформации. Повторный нагрев при необходимости производится в соседних участках с соблюдением технологических интервалов.
Температурные режимы нагрева
Выбор температуры нагрева является критическим параметром термической правки и зависит от марки стали и её термического состояния. Правильный выбор температурного режима обеспечивает необходимую пластичность металла без ухудшения его механических свойств.
| Класс стали | Температура нагрева, °C | Особенности |
|---|---|---|
| Термоупрочненные стали | Не выше 700 | Превышение температуры приводит к разупрочнению и потере прочностных характеристик |
| Углеродистые стали | 700-900 | Рекомендуемая температура 700-800°C, повышение до 900°C допускается в отдельных случаях |
| Низколегированные стали | 700-800 | Оптимальный диапазон обеспечивает необходимую пластичность без структурных изменений |
Визуальное определение температуры по цвету каления
Опытные специалисты определяют температуру нагрева по цвету каления стали. Однако этот метод требует значительного опыта и подлежит обязательному контролю с помощью приборов.
| Температура, °C | Цвет каления | Применение |
|---|---|---|
| 650-700 | Темно-вишневый | Минимальная температура для правки термоупрочненных сталей |
| 700-750 | Вишнево-красный | Рабочий диапазон для большинства сталей |
| 750-800 | Светло-вишневый | Верхний предел для нетермоупрочненных сталей |
| 800-850 | Темно-красный | Допускается только в исключительных случаях |
Формы и расположение зон нагрева
Форма зон местного нагрева связана с характером выправляемых деформаций и типом профиля конструкции. Зоны нагрева представляют собой сочетание различных геометрических форм, каждая из которых обеспечивает определенное направление и величину усадки металла.
Основные формы зон нагрева
Клиновидные зоны
Клинья располагают в плоскостях изгиба конструкции. Нагрев клином с основанием 100 мм обеспечивает усадку приблизительно 0,5-1 мм. Клиновидные зоны наиболее эффективны для устранения продольных деформаций и изгибов.
Расчет параметров клина
При правке саблевидности листа клином учитывают следующие параметры:
- Ширина основания клина: обычно 80-120 мм
- Длина клина: зависит от толщины металла и величины деформации
- Направление нагрева: от вершины к основанию ступенчатым способом
Важно: не следует нагревать одновременно всю поверхность клина или производить нагрев от основания к вершине, так как это снижает эффективность правки.
Полосы
Полосы располагают в плоскостях, перпендикулярных плоскостям изгиба. Поперечная полоса шириной в одну-две толщины металла обеспечивает продольную усадку 0,5-1 мм. Нагрев полосой эффективен при достаточной жесткости листа вокруг зоны нагрева.
Гребенка
Гребенка представляет собой несколько узких клиновидных зон, расположенных параллельно друг другу. Замена одного широкого клина несколькими узкими с той же суммарной площадью дает деформацию тех же размеров, но более плавной формы. Гребенка применяется при необходимости высокой точности правки.
Точечный нагрев
Точечный нагрев применяется для устранения местных выпучин и хлопунов листовой стали. Точки располагаются в шахматном порядке на расстоянии, определяемом толщиной металла и величиной деформации.
| Форма зоны нагрева | Вид деформации | Направление усадки | Величина усадки |
|---|---|---|---|
| Клин (основание 100 мм) | Продольный изгиб, саблевидность | Вдоль оси клина | 0,5-1,0 мм |
| Полоса (ширина 1-2 толщины) | Поперечный изгиб, выпучивание | Поперек полосы | 0,5-1,0 мм |
| Гребенка | Комплексные деформации | Комбинированное | Суммарное от всех элементов |
| Точки | Местные выпучины | Радиальное | 0,2-0,5 мм на точку |
Оборудование и методы нагрева
Для термической правки деформированных сварных конструкций применяется специализированное нагревательное оборудование, обеспечивающее локальный и контролируемый нагрев металла до требуемых температур.
Газокислородные (ацетиленокислородные) горелки
Основным и наиболее распространенным источником нагрева являются ацетиленокислородные горелки. Они обеспечивают температуру пламени до 3150°C, что позволяет эффективно нагревать металл до рабочих температур 700-800°C с возможностью точного контроля и регулирования скорости нагрева.
Преимущества газокислородного нагрева
- Простота регулирования температуры и площади нагрева
- Мобильность и маневренность оборудования
- Возможность работы на монтажных площадках
- Визуальный контроль процесса нагрева
- Относительно низкая стоимость оборудования
Бензорезы
В отдельных случаях для правки могут применяться бензорезы, которые обеспечивают более высокую производительность при работе с толстолистовым металлом. Однако контроль температуры при использовании бензорезов требует повышенного внимания.
Запрещенные методы нагрева
- Наплавки валиков дуговой сваркой - приводит к дополнительным внутренним напряжениям
- Нагрева графитовыми электродами - неконтролируемое тепловложение
- Применения плазменных горелок - чрезмерно высокая температура и скорость нагрева
Контроль температуры при правке
Точный контроль температуры нагрева является критическим фактором успешной термической правки. Превышение допустимой температуры может привести к нежелательным структурным изменениям металла, а недостаточный нагрев снижает эффективность правки.
Термоиндикаторные карандаши (термокарандаши)
Термоиндикаторные карандаши представляют собой стержни из лакополимерного композита, плавящегося при определенной температуре. Это наиболее распространенный и надежный метод контроля температуры в производственных условиях.
Принцип работы термокарандашей
На контролируемую поверхность металла наносится метка термокарандашом соответствующего номинала. Метка получается сухой и рассыпчатой. При достижении температуры, соответствующей номиналу карандаша, метка расплавляется и превращается в глянцевый мазок.
| Характеристика | Значение |
|---|---|
| Диапазон температур | 38-1204°C (в зависимости от номинала) |
| Точность измерения | ±1% от номинальной температуры |
| Количество отметок | 400-500 меток от одного карандаша |
| Рабочий шаг для правки | 5-10°C в диапазоне 650-800°C |
Методика применения термокарандашей
- Выбрать два карандаша: с минимальным и максимальным допустимым значением температуры для данной марки стали
- Нанести метку карандашом с максимальным значением на холодный металл в зоне предполагаемого нагрева
- Начать нагрев и наблюдать за меткой
- При расплавлении метки прекратить нагрев и дать металлу остыть
- Нанести метку карандашом с минимальным значением и продолжить контролируемый нагрев
- Как только метка минимального карандаша расплавится, обеспечить равномерность температуры по зоне нагрева
- Прекратить нагрев и обеспечить естественное охлаждение
Пирометры излучения
Для контроля правильности определения температуры нагрева применяются пирометры излучения. Контрольные испытания газоправильщиков с помощью пирометра проводятся не реже одного раза в неделю при правке термоупрочненных сталей и не реже одного раза в месяц в остальных случаях.
Ограничения по маркам сталей
Применение термической правки имеет существенные ограничения в зависимости от марки стали и её термического состояния. Неправильный выбор параметров правки может привести к необратимым изменениям свойств материала.
Термоупрочненные стали
Термоупрочненные стали прошли специальную термическую обработку (закалку с отпуском) для получения заданных механических свойств. К ним относятся стали повышенной и высокой прочности.
- Максимальная температура нагрева: строго не выше 700°C
- Минимальная температура окружающего воздуха: не ниже 0°C
- Контроль температуры пирометром: не реже 1 раза в неделю для каждого оператора
- Число повторных нагревов: не более 3 раз в одном месте
Превышение температуры 700°C приводит к разупрочнению материала и необратимой потере прочностных характеристик.
Углеродистые и низколегированные стали
Углеродистые конструкционные стали (Ст3, 09Г2С и аналогичные) и низколегированные стали (с содержанием легирующих элементов до 2,5%) допускают более широкий диапазон температур при правке.
| Параметр | Значение для углеродистых/низколегированных сталей |
|---|---|
| Рабочий диапазон температур | 700-800°C (рекомендуемый) |
| Максимальная температура | До 900°C (в исключительных случаях) |
| Минимальная температура воздуха | Не ниже -15°C |
| Частота контроля температуры | Не реже 1 раза в месяц |
Аустенитные нержавеющие стали
Аустенитные нержавеющие стали (типа 12Х18Н10Т, AISI 304, AISI 316) имеют стабильную аустенитную структуру, которая сохраняется при охлаждении. Эти стали не подвергаются мартенситному превращению, что является ключевым моментом традиционной термообработки.
Виды устраняемых деформаций
Термическая правка применяется для устранения различных типов остаточных деформаций, возникающих при сварке металлоконструкций. Классификация деформаций необходима для правильного выбора метода и параметров правки.
Продольные деформации
Продольные деформации возникают вдоль оси сварного шва и проявляются в виде укорочения конструкции в продольном направлении или продольного изгиба. Причиной является продольная усадка металла шва при кристаллизации и охлаждении.
Саблевидность листов
Саблевидность представляет собой изгиб листа в продольном направлении. Для правки применяют нагрев клиньями или полосами с выпуклой стороны листа. Нагрев производится от вершины клина к основанию ступенчатым методом.
Поперечные деформации
Поперечные деформации возникают в направлении, перпендикулярном оси шва, и приводят к уменьшению размеров конструкции в поперечном направлении. Поперечная усадка обычно больше продольной в 1,5-2 раза.
Угловые деформации
Угловые деформации проявляются в виде поворота свариваемых элементов относительно оси шва. Характерны для тавровых и угловых соединений. Правка производится нагревом с противоположной стороны от шва.
Пример правки угловой деформации
При сварке таврового соединения полка отклоняется от перпендикулярности к стенке (грибовидность). Для правки нагревают полку с противоположной стороны от шва клиновидными зонами или полосами. Величина деформации зависит от толщины полки и катета сварного шва.
Деформации изгиба
Деформации изгиба балочных конструкций возникают при выполнении продольных швов. Балка изгибается в вертикальной или горизонтальной плоскости. Правку производят нагревом с выпуклой стороны балки.
Винтообразность
Винтообразность коробчатых элементов устраняется нагревом вертикальных и горизонтальных листов в местах наибольшей деформации. Нагрев производится двумя парами клиньев в одном сечении элемента на диагонально противоположных гранях.
Выпучивание (хлопуны)
Местные выпучины стенок балок и листовой стали устраняются точечным нагревом в центре выпучины или нагревом по системе концентрических окружностей от центра к периферии.
| Вид деформации | Причина возникновения | Метод правки | Зона нагрева |
|---|---|---|---|
| Саблевидность | Продольная усадка шва | Нагрев выпуклой стороны | Клин или полоса |
| Угловая деформация | Поперечная усадка | Нагрев противоположной стороны | Клин вдоль шва |
| Изгиб балки | Несимметричные швы | Нагрев выпуклой стороны | Клинья или полосы |
| Винтообразность | Несимметричная усадка | Нагрев диагональных зон | Парные клинья |
| Выпучины | Потеря устойчивости | Точечный нагрев | Точки или окружности |
Технологические требования
Успешное проведение термической правки требует строгого соблюдения технологической последовательности и режимов обработки.
Подготовка к правке
- Определение величины деформации: Измерение стрелки прогиба с помощью струны, универсальной линейки или отвесов. Для винтообразности используют разность отклонений вертикальной стенки в опорных сечениях.
- Установление порядка правки: Определение последовательности обработки различных деформаций при их комбинации.
- Расчет зон нагрева: Определение места, формы и границ зон нагрева с помощью таблиц, графиков и номограмм.
- Разметка зон: Нанесение границ зон нагрева и направления движения горелки меловыми линиями и стрелками.
Процесс нагрева
Ключевые правила нагрева
- Нагрев производится со стороны выпуклой кромки или грани деформированного элемента
- Для металла толщиной 20 мм и более необходим постепенный нагрев с увеличением зоны
- Минимальный размер зоны одновременного нагрева должен быть равен трем толщинам элемента
- При толщине листа более 20 мм нагрев ведут одновременно двумя горелками с обеих сторон
- Не следует нагревать одновременно всю поверхность клина
- Скорость перемещения горелки должна обеспечивать равномерный прогрев
Контроль в процессе правки
В процессе правки необходимо проверять значения деформаций. Окончательные измерения производятся после полного остывания металла и выравнивания температуры по сечению конструкции.
Повторная правка
Если требуемый результат не был получен после первого нагрева, допускается повторная правка. Однако повторный нагрев одного и того же места ограничен тремя разами максимум. При получении обратной деформации, превышающей допустимую, необходимо производить правку с противоположной стороны.
Требования безопасности и ограничения
Термическая правка связана с высокотемпературным нагревом металла и применением газокислородного оборудования, что требует строгого соблюдения правил безопасности.
Климатические ограничения
- Для углеродистых и низколегированных сталей: не допускается правка при температуре окружающего воздуха ниже -15°C
- Для термоупрочненных сталей: не допускается правка при температуре ниже 0°C
Работа при более низких температурах может привести к хрупкому разрушению металла в процессе правки.
Ограничения по охлаждению
- Охлаждение нагретого металла водой или другими охлаждающими жидкостями
- Принудительное ускорение охлаждения воздухом (за исключением особых случаев)
Быстрое охлаждение может привести к образованию закалочных структур, трещин и дополнительных внутренних напряжений. Охлаждение должно происходить естественным путем на спокойном воздухе.
Ограничения по числу нагревов
Допускается повторное применение термической правки ранее нагретых мест металла не более трех раз. Превышение этого количества может привести к накоплению структурных изменений и ухудшению механических свойств.
Требования к квалификации персонала
Термическую правку должны выполнять специально обученные рабочие-газоправильщики, имеющие:
- Опыт работы с газокислородным оборудованием
- Знание свойств различных марок сталей
- Навыки визуального определения температуры по цвету каления
- Понимание механизма образования и устранения сварочных деформаций
Контроль качества правки
После завершения правки и полного остывания конструкции производится контроль:
- Измерение остаточных деформаций универсальной линейкой или струной
- Проверка отсутствия трещин визуальным осмотром
- Контроль отсутствия прижогов и перегрева металла
- Проверка твердости в зонах нагрева (для ответственных конструкций)
Часто задаваемые вопросы
Термоупрочненные стали прошли специальную термическую обработку (закалку с последующим отпуском) для получения заданных механических свойств. Нагрев выше 700°C приводит к отпуску закаленной структуры и разупрочнению материала. При этом происходят фазовые превращения в металле, снижающие прочность и твердость. Процесс разупрочнения необратим - повторной термообработкой на объекте восстановить первоначальные свойства невозможно. Поэтому строгое соблюдение температурного предела 700°C является критически важным требованием.
Категорически нет. Охлаждение нагретого металла водой строго запрещено по следующим причинам: быстрое охлаждение может вызвать образование закалочных структур (мартенсита) в углеродистых и низколегированных сталях, что приводит к резкому повышению твердости и хрупкости металла. Возникают высокие термические напряжения из-за резкого перепада температур, что может привести к образованию трещин. Процесс правки основан на естественной усадке при медленном охлаждении - принудительное охлаждение нарушает механизм формирования правильных остаточных напряжений. Охлаждение должно происходить только естественным путем на спокойном воздухе.
Это два принципиально разных процесса с разными целями. Термическая обработка сварных швов (отпуск, нормализация) проводится для снятия внутренних напряжений, улучшения структуры металла шва и околошовной зоны, повышения пластичности и ударной вязкости. Она предполагает равномерный нагрев всего сварного соединения или изделия целиком с последующей выдержкой при заданной температуре. Термическая правка - это метод устранения видимых геометрических деформаций путем местного локального нагрева деформированных участков. Она создает дополнительные пластические деформации, компенсирующие исходные. Нагрев производится только в ограниченных зонах, а не по всему изделию. Часто оба процесса дополняют друг друга в технологической цепочке изготовления конструкций.
Термическая правка наиболее эффективна для металла толщиной от 8-10 мм и выше. Для более тонкого металла предпочтительна механическая правка на листоправильных вальцах или прессах. Причины ограничения: тонкий металл быстро и неравномерно нагревается, что затрудняет контроль температуры; при толщине менее 8 мм велика вероятность прожога и деформации металла от воздействия пламени горелки; тонкий металл имеет низкую жесткость, и при нагреве может происходить дополнительное выпучивание вместо правки. Для листов толщиной 3-8 мм термическая правка применяется с особой осторожностью и требует высокой квалификации оператора.
Использование графитовых электродов для термической правки запрещено по нескольким причинам: графитовая дуга создает неконтролируемое и неравномерное тепловложение, при котором трудно обеспечить требуемую температуру 700-800°C; высокая концентрация тепла может привести к локальному перегреву металла и образованию структур с нежелательными свойствами; возможно науглероживание поверхности металла в месте контакта с графитовым электродом; отсутствует возможность визуального контроля температуры по цвету пламени, как при газовой горелке; высокая скорость нагрева не обеспечивает равномерного прогрева по толщине, особенно для металла толщиной более 20 мм. Аналогичные ограничения действуют и для плазменных горелок из-за чрезмерно высокой температуры и концентрации нагрева.
Допускается повторный нагрев одного и того же места не более трех раз. Это ограничение обусловлено следующими факторами: каждый цикл нагрева-охлаждения вызывает изменения в микроструктуре металла; происходит укрупнение зерна при многократных термических циклах; накапливаются усталостные явления в металле; снижаются пластические свойства материала. Если после трех попыток требуемый результат не достигнут, необходимо пересмотреть метод правки: изменить форму или расположение зон нагрева, применить термомеханический метод с одновременным механическим воздействием, рассмотреть возможность правки с противоположной стороны. Для термоупрочненных сталей даже три цикла нагрева являются предельным случаем и применяются только при крайней необходимости.
Визуальное определение температуры по цвету каления возможно, но требует значительного опыта и не может полностью заменить инструментальный контроль. При температуре 700°C сталь имеет вишнево-красный цвет каления, при 750-800°C - светло-вишневый цвет. Однако визуальное определение имеет существенные ограничения: восприятие цвета зависит от освещенности рабочего места - при ярком дневном свете цвет каления определить сложнее; индивидуальные особенности зрения оператора влияют на оценку температуры; невозможно точно различить температуры в узком диапазоне 700-750°C. Поэтому обязательно применение термоиндикаторных карандашей для контроля температуры. Для ответственных конструкций и при работе с термоупрочненными сталями дополнительно применяют пирометры излучения. Газоправильщики должны проходить периодическую проверку навыков определения температуры с использованием приборов.
Термическая правка аустенитных нержавеющих сталей (типа 12Х18Н10Т, AISI 304, AISI 316) возможна, но имеет особенности и ограничения. Аустенитные стали не подвергаются мартенситному превращению при охлаждении, что является основой традиционной термической правки углеродистых сталей. Поэтому эффективность термической правки для них ниже. Для аустенитных сталей применяют: нагрев до температур 350-400°C с последующим естественным охлаждением; термомеханический метод - нагрев с одновременным приложением механических усилий; холодную правку после предварительного нагрева. Важно учитывать, что аустенитные стали имеют более высокий коэффициент теплового расширения, чем углеродистые, что влияет на расчет параметров правки. Для ответственных конструкций из аустенитных сталей рекомендуется предварительная отработка режимов правки на образцах.
Отказ от ответственности
Данная статья носит исключительно ознакомительный и информационный характер. Информация представлена на основе технических стандартов и нормативных документов, актуальных на 2025 год. Автор не несет ответственности за возможные последствия применения описанных методов без надлежащей квалификации персонала, соблюдения требований безопасности и учета конкретных условий производства. Перед проведением работ по термической правке необходимо руководствоваться действующими нормативными документами, технологическими инструкциями предприятия и требованиями проектной документации. Все работы должны выполняться квалифицированным персоналом с соблюдением правил охраны труда и промышленной безопасности.
Источники
- Указания по методам правки элементов сварных мостовых конструкций (нормативно-технический документ)
- ГОСТ 6996-66 Сварные соединения. Методы определения механических свойств
- ГОСТ 23118-2019 Конструкции стальные строительные. Общие технические условия
- ГОСТ 32569 Термическая обработка сварных соединений (технические требования)
- СНиП 3.05.05-84 Сварные и другие неразъемные соединения трубопроводов
- Патент RU 2394934 Способ термической обработки сварных конструкций из алюминиевых сплавов и устройство для его осуществления
- Технические справочники по термической обработке металлов и сплавов (научно-техническая литература)
- Документация производителей термоиндикаторных карандашей Tempilstik и аналогов
- Инструкции по термической обработке нефтехимической аппаратуры (РТМ 26-44-82)
