Содержание статьи
Введение в предварительный подогрев
Предварительный подогрев при сварке толстого металла представляет собой технологическую операцию нагрева свариваемых деталей до определенной температуры перед началом сварочного процесса. Эта процедура имеет критическое значение для обеспечения качества сварных соединений, особенно при работе с толстостенными конструкциями, высокопрочными и легированными сталями.
Согласно действующим стандартам ГОСТ Р 58905-2020 и ГОСТ Р 59023.4-2020, температура предварительного подогрева определяется как температура деталей в зоне сварки непосредственно перед сварочной операцией. Этот параметр обычно указывается как минимальное значение температуры, которое должно поддерживаться в околошовной зоне на расстоянии не менее 75 мм от свариваемых кромок.
Физические основы процесса
Предварительный подогрев оказывает комплексное воздействие на металлургические и термомеханические процессы, происходящие при сварке. Основные физические эффекты включают замедление скорости охлаждения, снижение температурных градиентов и изменение структурных превращений в металле.
Влияние на скорость охлаждения
Скорость охлаждения металла при температуре 300°C определяется по формуле Рыкалина для различных схем теплоотвода. При предварительном подогреве скорость охлаждения существенно снижается, что позволяет избежать образования закалочных структур.
ω₃₀₀ = 2πλсηδ²[(300-T₀)³/(q/V)²], град/с
где:
λ - коэффициент теплопроводности (Вт/см·град)
сη - объемная теплоемкость (Дж/см³·град)
δ - толщина металла (см)
T₀ - температура предварительного подогрева (°C)
q/V - погонная энергия сварки (кДж/см)
Структурные превращения
Предварительный подогрев влияет на фазовые превращения в стали, препятствуя образованию мартенситной структуры и способствуя формированию более пластичных структурных составляющих - феррита, перлита или бейнита.
| Температура подогрева, °C | Скорость охлаждения при 300°C, °C/с | Структура ЗТВ | Твердость, HV |
|---|---|---|---|
| 20 (без подогрева) | 15-25 | Мартенсит | 450-600 |
| 100 | 8-12 | Мартенсит + Бейнит | 350-450 |
| 200 | 3-5 | Бейнит | 280-350 |
| 300 | 1-2 | Феррит + Перлит | 220-280 |
Расчет температуры предварительного подогрева
Существует несколько методик расчета оптимальной температуры предварительного подогрева, основанных на химическом составе стали, толщине металла и параметрах сварки.
Методика расчета по углеродному эквиваленту
Наиболее распространенный подход основан на расчете углеродного эквивалента стали. Для низколегированных сталей используется формула Международного института сварки (IIW):
CE = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15
Температура предварительного подогрева:
T₀ = 350√CE - 0.25°C (при CE > 0.4%)
T₀ = 0°C (при CE ≤ 0.4%)
Расчет по формуле Ито-Бессио
Для более точного определения температуры подогрева с учетом содержания водорода используется параметрическое уравнение:
Ps = [C] + [Si]/30 + ([Mn] + [Cu] + [Cr])/20 + [Ni]/60 + [Mo]/15 + [V]/10 + 5B + H/60
где [C], [Si], [Mn] и т.д. - содержание элементов в процентах,
H - содержание водорода в мл/100г металла шва
Сталь 09Г2С: C=0.12%, Mn=1.4%, Si=0.8%
CE = 0.12 + 1.4/6 + 0.8/30 = 0.12 + 0.23 + 0.027 = 0.377%
Поскольку CE < 0.4%, предварительный подогрев не требуется.
Сталь 15ХМ: C=0.15%, Mn=0.5%, Cr=1.0%, Mo=0.3%
CE = 0.15 + 0.5/6 + (1.0+0.3)/5 = 0.15 + 0.083 + 0.26 = 0.493%
T₀ = 350√0.493 - 0.25 = 350×0.702 - 0.25 = 246°C ≈ 250°C
Расчет с учетом толщины металла
Температура предварительного подогрева также зависит от толщины свариваемого металла и жесткости конструкции:
| Углеродный эквивалент, % | Толщина до 25 мм, °C | Толщина 25-50 мм, °C | Толщина 50-100 мм, °C | Толщина свыше 100 мм, °C |
|---|---|---|---|---|
| 0.40-0.45 | 100 | 150 | 200 | 250 |
| 0.45-0.50 | 150 | 200 | 250 | 300 |
| 0.50-0.60 | 200 | 250 | 300 | 350 |
| свыше 0.60 | 250 | 300 | 350 | 400 |
Предотвращение горячих трещин
Горячие трещины образуются в температурном интервале 1000-1300°C в процессе кристаллизации металла шва или в зоне термического влияния. Предварительный подогрев является эффективным средством их предотвращения.
Механизм образования горячих трещин
Горячие трещины возникают из-за развития растягивающих напряжений в период, когда металл находится в хрупком состоянии при наличии жидких прослоек по границам кристаллитов. Критическими факторами являются химический состав стали, скорость деформации и температурный интервал кристаллизации (ТИК).
ТИК = Tₗ - Tₛ
где Tₗ - температура ликвидуса, Tₛ - температура солидуса
Влияние легирующих элементов на ТИК:
- Углерод: увеличивает ТИК на 65°C на каждые 0.1%
- Сера: увеличивает ТИК на 50°C на каждые 0.01%
- Фосфор: увеличивает ТИК на 25°C на каждые 0.01%
Влияние предварительного подогрева на горячие трещины
Предварительный подогрев снижает вероятность образования горячих трещин за счет уменьшения температурных градиентов и скорости деформации в период кристаллизации. Оптимальная температура подогрева для предотвращения горячих трещин составляет 150-250°C для большинства конструкционных сталей.
| Тип стали | Содержание серы, % | Рекомендуемый подогрев, °C | Дополнительные меры |
|---|---|---|---|
| Углеродистые | до 0.030 | 100-150 | Контроль формы шва |
| Низколегированные | до 0.025 | 150-200 | Многопроходная сварка |
| Среднелегированные | до 0.020 | 200-300 | Термообработка после сварки |
| Аустенитные | до 0.015 | без подогрева | Контроль содержания δ-феррита |
Предотвращение холодных трещин
Холодные трещины образуются при температурах ниже 300°C, чаще всего в интервале 120-200°C, и могут появляться спустя часы или даже дни после окончания сварки. Предварительный подогрев является основным методом их предотвращения.
Факторы, влияющие на образование холодных трещин
Образование холодных трещин обусловлено совместным действием трех основных факторов: наличием закаливающихся структур в зоне термического влияния, присутствием диффузионного водорода и растягивающими напряжениями в сварном соединении.
Pω = 2.5√(PCM × H × σ/100)
где:
PCM - параметр состава (модифицированный углеродный эквивалент)
H - содержание диффузионного водорода (мл/100г)
σ - уровень напряжений (МПа)
При Pω > 0.286 высокая вероятность образования холодных трещин
Расчет температуры подогрева для предотвращения холодных трещин
Температура предварительного подогрева для предотвращения холодных трещин рассчитывается исходя из требуемой скорости охлаждения при температуре 300°C:
ω₃₀₀ ≤ 0.17 град/с (для низколегированных сталей)
Температура подогрева:
T₀ = 300 - [(q/V)² × ω₃₀₀ / (2πλсηδ²)]^(1/3)
Сталь 10ХСНД, толщина 20 мм, сварка под флюсом
q/V = 25 кДж/см, λ = 0.42 Вт/см·град, сηδ² = 4.2 Дж/см³·град
ω₃₀₀ = 0.17 град/с
T₀ = 300 - [(25)² × 0.17 / (2π × 0.42 × 4.2 × 4)]^(1/3)
T₀ = 300 - [106.25 / 88.7]^(1/3) = 300 - 1.2^(1/3) = 300 - 1.06 ≈ 175°C
Влияние водорода
Содержание диффузионного водорода критически влияет на склонность к образованию холодных трещин. Предварительный подогрев способствует удалению водорода из металла шва и околошовной зоны.
| Содержание водорода, мл/100г | Температура подогрева, °C | Время выдержки, ч | Снижение содержания H, % |
|---|---|---|---|
| 8-10 | 150 | 2 | 60-70 |
| 6-8 | 200 | 1.5 | 70-80 |
| 4-6 | 250 | 1 | 80-90 |
| менее 4 | 100 | 0.5 | 50-60 |
Методы и оборудование для подогрева
Современные технологии предварительного подогрева включают различные методы нагрева, каждый из которых имеет свои преимущества и области применения.
Газопламенный подогрев
Традиционный метод с использованием пропан-воздушных или ацетилен-кислородных горелок. Применяется для простых конструкций и небольших объемов работ.
Индукционный подогрев
Современный высокоэффективный метод, обеспечивающий равномерный нагрев и точный контроль температуры. Особенно эффективен для трубопроводов большого диаметра.
| Метод подогрева | Мощность | Равномерность нагрева | Контроль температуры | Применение |
|---|---|---|---|---|
| Газопламенный | 20-100 кВт | ±15°C | Ручной | Листовые конструкции |
| Индукционный | 50-500 кВт | ±5°C | Автоматический | Трубопроводы |
| Электросопротивления | 10-200 кВт | ±10°C | Программируемый | Сложные конструкции |
| Инфракрасный | 5-50 кВт | ±8°C | Программируемый | Локальный нагрев |
Особенности индукционного подогрева
Индукционный подогрев обеспечивает высокую равномерность температурного поля, однако имеет ограничения, связанные с поверхностным эффектом токов средней частоты. Градиент температуры по толщине стенки составляет приблизительно 1°C/мм.
δ = 503/√(f × μ × σ), мм
где:
f - частота тока (Гц)
μ - магнитная проницаемость
σ - электропроводность (См/м)
Контроль температуры
Точный контроль температуры предварительного подогрева критически важен для обеспечения качества сварных соединений. Современные системы контроля включают различные типы термометров и автоматизированные системы управления.
Методы измерения температуры
Для контроля температуры предварительного подогрева применяются контактные и бесконтактные методы измерения, каждый из которых имеет свои особенности и точность.
| Метод измерения | Точность, °C | Диапазон, °C | Время отклика | Особенности применения |
|---|---|---|---|---|
| Термопары K-типа | ±2 | 0-1200 | 1-3 сек | Контактное измерение, высокая надежность |
| Пирометры | ±5 | 50-1000 | мгновенно | Бесконтактное, требует коррекции излучательной способности |
| Термокраски | ±15 | 40-800 | - | Одноразовые, визуальный контроль |
| RTD датчики | ±1 | -200-500 | 5-10 сек | Высокая точность, медленный отклик |
Требования к точности измерений
Согласно ISO 13916, измерение температуры должно проводиться на расстоянии не более 75 мм от свариваемых кромок. Допустимое отклонение температуры составляет ±25°C для температур до 200°C и ±50°C для более высоких температур.
Практические примеры
Рассмотрим конкретные примеры применения предварительного подогрева для различных типов конструкций и материалов.
Пример 1: Сварка магистрального трубопровода
- Материал: сталь X70 (17Г1С-У)
- Диаметр: 1420 мм, толщина стенки: 18.7 мм
- Метод сварки: автоматическая сварка под флюсом
- Температура окружающей среды: -15°C
Расчет:
CE = 0.10 + 1.6/6 + 0.3/30 + 0.25/15 = 0.10 + 0.27 + 0.01 + 0.017 = 0.397%
Поскольку CE < 0.4%, но температура окружающей среды отрицательная:
T₀ = 100°C (минимальная температура для зимних условий)
Оборудование: Индукционные нагреватели мощностью 120 кВт
Контроль: Термопары K-типа в 8 точках по окружности
Пример 2: Сварка толстостенного резервуара
- Материал: сталь 09Г2С
- Толщина: 65 мм
- Метод сварки: ручная дуговая сварка покрытыми электродами
- Жесткость конструкции: высокая
Расчет:
CE = 0.09 + 1.4/6 + 0.3/30 = 0.09 + 0.23 + 0.01 = 0.33%
С учетом толщины (65 мм) и жесткости конструкции:
T₀ = 150°C
Оборудование: Газопламенные горелки + электронагреватели
Контроль: Пирометры с коррекцией излучательной способности
Пример 3: Ремонтная сварка валов
- Материал: сталь 40Х
- Диаметр вала: 200 мм
- Метод сварки: аргонодуговая наплавка
- Глубина дефекта: 3-5 мм
Расчет:
CE = 0.40 + 0.6/6 + 1.0/5 = 0.40 + 0.10 + 0.20 = 0.70%
T₀ = 350√0.70 - 0.25 = 350 × 0.837 - 0.25 = 293°C ≈ 300°C
Особенности: Медленное охлаждение в термоизоляции,
послесварочная термообработка при 550°C
Часто задаваемые вопросы
Отказ от ответственности: Данная статья носит исключительно ознакомительный характер и не может заменить профессиональную консультацию специалистов. Автор не несет ответственности за любые последствия использования представленной информации. Перед применением описанных методов обязательно консультируйтесь с квалифицированными инженерами-сварщиками.
Источники:
1. ГОСТ Р 58905-2020 "Сварка и родственные процессы. Словарь. Часть 3. Сварочные процессы"
2. ГОСТ Р 58906-2020 "Сварка и родственные процессы. Словарь. Часть 4. Дуговая сварка"
3. ГОСТ Р 59023.4-2020 "Сварка и наплавка оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. Подогрев при сварке (наплавке)"
4. ГОСТ Р 71985-2025 "Сосуды и аппараты. Требования к разнородным сварным соединениям"
5. ISO 13916:2017 "Сварка. Измерение температуры предварительного подогрева"
6. AWS D1.1/D1.1M:2025 "Structural Welding Code — Steel"
7. API 1104:2021 "Welding of Pipelines and Related Facilities"
8. Гривняк И. "Свариваемость сталей" - М.: Машиностроение, 1984
9. Сварка и свариваемые материалы: В 3 т. / Под ред. Э.Л. Макарова - М.: Металлургия, 1991
