Что такое предварительный подогрев?


Предварительный подогрев означает проводимое перед сваркой повышение температуры основного металла до желаемого значения, называемого температурой предварительного подогрева. При этом может повышаться температура всего изделия или только в зоне вокруг точки сварки. Подогрев может продолжаться в течение всего процесса сварки, но обычно жар от сварки оказывается достаточным для того, чтобы поддерживать желаемую температуру без необходимости во внешнем источнике тепла. Межслойная температура, т. е. температура основного металла в промежуток времени между первым и последним проходом, не должна опускаться ниже температуры предварительного подогрева. Вопросы межслойной температуры в этой статье описываться не будут. Предварительный подогрев имеет много преимуществ, однако без хорошего понимания его принципов есть риск напрасно потратить деньги или, еще хуже, не суметь обеспечить нужное качество сварки.

Зачем он нужен?
Предварительный подогрев в основном используется по четырем причинам: (1) он снижает скорость остывания наплавленного и основного металла, что позволяет создать материал из более вязкого состава с большей устойчивостью к образованию трещин; (2) меньшая скорость охлаждения позволит диффузионному водороду безопасно рассеяться без риска образования трещин; (3) он позволяет снизить усадочное напряжение шва и прилегающего металла основы, что особенно важно для соединений под высоким напряжением и (4) он поднимает температуру некоторых марок стали до значения, при котором не может произойти хрупкий излом. Кроме этого, предварительный подогрев может использоваться для того, чтобы обеспечить нужные механические свойства, например, ударной вязкости.

Когда стоит использовать предварительный подогрев?
Необходимость подогрева зависит от нескольких факторов: требований кодексов, толщины сечения, состава основного металла, напряжения, температуры окружающей среды, содержания водорода в окружающем металле и того, возникали ли проблемы с образованием трещин в прошлом. В сварочных кодексах обычно указывается минимальная температура предварительного подогрева для каждого металла основы, сварочного процесса и толщины сечения. Это минимальное значение нужно обеспечить независимо от напряжения и состава основного металла. При необходимости это минимальное значение может быть повышено. В следующем разделе приведен соответствующий пример.

При отсутствии кодексов с требованиями к сварке нужно самостоятельно определить необходимость в предварительном подогреве и при положительном решении выбрать наиболее подходящую температуру. В случае низкоуглеродистой стали толщиной меньше 1 дюйма (25 мм) предварительный подогрев обычно не требуется. Однако при увеличении числа элементов сплава, количества диффузионного водорода в металле наплавления, напряжения или толщины сечения потребность в подогреве возрастает. В следующем разделе описано несколько методов определения необходимой температуры предварительного подогрева для каждой комбинации основного металла и толщины сечения.

Как выбрать температуру предварительного подогрева?
В сварочных кодексах обычно указывают минимальные значения температуры предварительного подогрева, которые могут оказаться достаточными или недостаточными для предотвращения образования трещин в каждом конкретном случае. Например, при изготовлении балочно-стоечного сопряжения с помощью низководородистого электрода из сплава ASTM A572-Gr50 и очень большого сечения A36 (толщиной 10,2-12,7 см) требуется минимальная температура предварительного подогрева 107°C (AWS D1.1-96, Таблица 3.2). Для изготовления стыковых соединений с очень большим сечением температуру предварительного подогрева рекомендуется поднять выше минимального уровня до значения, требуемого институтом AISC, а именно 175°C (AISC LRFD J2.8). В достаточно консервативной рекомендации AWS признается, что предписываемые в документе AWS D1.1 требования к минимальной температуре могут оказаться недостаточными для подобных соединений под высоким напряжением.

Но как определить подходящую температуру предварительного подогрева при отсутствии сварочных кодексов? Для этого можно воспользоваться документом AWS D1.1-96, Приложение XI: «Руководство по альтернативным методам определения предварительного подогрева», которое содержит две процедуры для определения температуры подогрева, составленных в основном по результатам лабораторных тестов на образование трещин. Эти процедуры особенно полезны в случаях с высоким риском образования трещин из-за напряжения, содержания водорода, особенностей состава или низкого тепловложения при сварке.

Два представленных в Приложении XI документа AWS D1.1-96 метода представляют собой: (1) контроль твердости в зоне теплового воздействия (HAZ) и (2) контроль содержания водорода. Метод контроля твердости в зоне теплового воздействия HAZ распространяется только на угловую сварку. Он основан на предположении, что трещины не возникнут, пока твердость HAZ будет оставаться ниже некоего определенного значения. Этого можно добиться, контролируя скорость охлаждения материала. Критическую скорость охлаждения для определенного значения твердости можно соотнести с углеродным эквивалентом стали, который вычисляется по следующей формуле:

CE = C + ((Mn + Si)/6) + ((Cr + Mo + V)/5) + ((Ni + Cu)/15)

После этого на основе критической скорости охлаждения можно рассчитать минимальную температуру подогрева (в работе Блодгетта «Расчет скорости охлаждения методом компьютерного моделирования» описана процедура расчета на основе скорости охлаждения, тепловложения, толщины пластины, температуры, при которой становится критической скорость охлаждения, температуры предварительного подогрева, теплопроводимости и теплоемкости). Однако нужно отметить, что «хотя этим методом и можно воспользоваться для определения температуры предварительного подогрева, его основным предназначением является определение минимального тепловложения (и, как следствие, минимального размера шва) для предотвращения излишнего затвердевания» (Приложение XI, параграф 3.4, AWS D1.1-96).

Метод контроля водорода основывается на предположении, что трещины не возникнут, если количество остающегося в соединении водорода после охлаждения до 50°C останется ниже определенной критической величины, зависящей от состава и напряжения стали. Эта процедура очень хорошо подходит для высокопрочных низколегированных сортов стали с высокой закаливаемостью. Однако в случае углеродистой стали расчетное значение подогрева может оказаться недостаточным.

Метод контроля содержания водорода включает три основные этапа: (1) Расчет параметра состава, аналогичного углеродному эквиваленту; (2) Расчет индекса восприимчивости, представляющего собой функцию параметра состава и содержания способного к диффузии водорода в заполняющем материале; и (3) Определение минимальной температуры предварительного подогрева на основе напряжения, толщины материала и индекса восприимчивости.

Как осуществляется предварительный подогрев?
При выборе метода предварительного подогрева нужно учесть толщину материала, размер шва и доступное тепловое оборудование. Например, небольшие узлы эффективнее всего нагревать в печи. Однако крупные конструкционные компоненты часто требуют применения рядов нагревательных горелок, электрических пластинчатых радиаторов или индукционных или лучистых нагревателей.

Во время подогрева углеродистой стали высокая точность обычно не требуется. Хотя при этом по-прежнему важно, чтобы изделие достигло минимальной температуры, эту температуру можно без вреда превысить примерно на 40°C. Однако в случае закаленной и отпущенной стали (Q&T) это невозможно, так как при сварке перегретой стали Q&T можно повредить материал в зоне теплового воздействия. Как следствие, сталь Q&T требует определения и точного соблюдения минимальной и максимальной температуры.

Кодекс AWS D1.1 требует, чтобы при подогреве сварочного соединения минимальная температура измерялась на расстоянии, по крайней мере равном толщине самой толстой части соединения, но не менее 3 дюймов (75 мм) во всех направлениях от точки сварки. Чтобы убедиться, что был прогрет весь объем материала вокруг соединения, рекомендуется нагревать противоположную сторону от места сварки и измерять температуру поверхности рядом с соединением. Наконец, перед каждым проходом нужно проверять температуру стали, чтобы убедиться в обеспечении минимальной температуры подогрева непосредственно перед зажиганием дуги.

 

Краткое содержание
Предварительный подогрев может использоваться для того, чтобы предотвратить образование трещин и/или обеспечить нужные механические свойства, например, ударную вязкость.

Предварительный подогрев нужно проводить во всех случаях, когда этого требуют применимые кодексы. При отсутствии подходящих кодексов для соответствующей ситуации специалист сварочного производства должен самостоятельно принять решение о необходимости подогрева и о том, какая температура потребуется для данного сочетания основного металла и толщины сечения.

В Приложении XI документа AWS D1.1-96 содержится руководство по альтернативным методам определения подходящей степени предварительного подогрева: методу контроля твердости HAZ и методу контроля содержания водорода.

Предварительный подогрев можно проводить в печи или с помощью нагревательных горелок, электрических пластинчатых радиаторов или индукционных или лучистых нагревателей. Для углеродистых сталей точное соблюдение температурных требований не требуется, но в случае применения индукционных и лучистых нагревателей и подогрева закаленной и отпущенной стали нужно тщательно следить за максимальной и минимальной температурой.

Список литературы
ANSI/AWS D1.1-96 Structural Welding Code: Steel. The American Welding Society, 1996.

Bailey, N. Weldability of Ferritic Steels. The Welding Institute, 1995.

Bailey, N. et al, Welding Steels Without Hydrogen Cracking. The Welding Institute, 1973.

Blodgett, 0. "Calculating Cooling Rates by Computer Programming," Welding Journal. March 1984.

Graville, B.A. The Principles of Cold Cracking Control in Welds. Dominion Bridge Company Ltd., 1975.

Irving, B. "Preheat: The Main Defense against Hydrogen Cracking." Welding Journal. July 1992.

Stout, R.D. and Doty, W.D., Weldability of Steels. Welding Research Council, 1971.

The Procedure Handbook of Arc Welding. The James F. Lincoln Arc Welding Foundation, 1994.