Температура подогрева перед сваркой

Зачем нужен подогрев

Холодные трещины возникают при одновременном действии трёх факторов: закалочной структуры в зоне термического влияния, диффузионного водорода и напряжений. Подогрев замедляет охлаждение соединения и даёт водороду время выйти из металла. Необходимая температура зависит не только от марки стали: при той же стали её повышают толщина детали и влажный или рутиловый электрод, а понижает большая погонная энергия.

Подробно о выполнении и контроле подогрева — в статье «Температура предварительного подогрева сталей перед сваркой».

Как выполняется расчёт

Основной результат — по стандарту EN 1011-2, приложение C, метод B (тот же текст опубликован как ISO/TR 17671-2). Метод предназначен для конструкционных сталей с пределом текучести до 1000 Н/мм² и учитывает четыре фактора.

1. Состав стали — углеродный эквивалент CET.

CET = C + (Mn + Mo)/10 + (Cr + Cu)/20 + Ni/40, %

Каждая лишняя сотая процента CET повышает температуру подогрева примерно на 7,5 °C.

2. Толщина d. Для стыка берётся толщина более толстой детали. Для сплошного вала калькулятор принимает расчётную толщину равной половине диаметра — по аналогии с тем, как EN 1011-2 учитывает круглые сечения. Выше 60 мм влияние толщины становится очень малым, поэтому расчётная толщина ограничена 90 мм. Для массивных деталей важна не только температура, но и время прогрева на всю толщину.

3. Водород HD, мл/100 г наплавленного металла. Обозначения H4, H5, H8, H10, H15, H16 в классификации сварочного материала — это предельное содержание водорода. Рутиловые и целлюлозные электроды водород не ограничивают: калькулятор считает их по верхней границе метода, 20 мл/100 г, и предупреждает, что фактическая потребность может быть выше.

4. Погонная энергия Q, кДж/мм. Q = k × U × I / v, где k — тепловой КПД процесса:

Чем больше погонная энергия, тем медленнее остывает соединение и тем ниже нужный подогрев.

Формула метода B:

Tp = 697 × CET + 160 × tanh(d/35) + 62 × HD^0,35 + (53 × CET − 32) × Q − 328, °C

Область применения метода: CET 0,20–0,50 %, толщина 10–90 мм, водород 1–20 мл/100 г, погонная энергия 0,5–4,0 кДж/мм; C 0,05–0,32 %, Si до 0,8 %, Mn 0,5–1,9 %, Cr до 1,5 %, Mo до 0,75 %, Ni до 2,5 %, Cu до 0,7 %, V до 0,18 %. Если сталь или режим выходят за эти пределы (например, среднеуглеродистые стали 45, 40Х, 42CrMo4), калькулятор всё равно считает по фактическим значениям, но отмечает выход за область и называет результат ориентировочным. Так поступают и калькуляторы производителей стали.

Межпроходная температура при многопроходной сварке поддерживается не ниже температуры подогрева.

Формула Сефериана

В отечественной литературе распространена формула Сефериана:

[C]х = C + (Mn + Cr)/9 + Ni/18 + 7Mo/90
[C] = [C]х × (1 + 0,005 × s)
Tп = 350 × √([C] − 0,25), °C

Она учитывает только состав и толщину, но не водород и не погонную энергию. Для малоуглеродистых сталей она обычно даёт более высокую температуру, чем EN 1011-2, а с ростом толщины растёт без насыщения. Поэтому калькулятор показывает её справочно, второй строкой, с той же расчётной толщиной.

Ориентировочные температуры по маркам

Лист, многопроходная сварка покрытым электродом с основным покрытием (H5), погонная энергия 1,23 кДж/мм, номинальный состав марки. «Не треб.» — подогрев по расчёту не требуется.

Для сталей 35, 45, 40Х, 35ХМ, 42CrMo4, 40ХН, 30ХГСА, 20ХН3А, 10ХСНД и 12Х1МФ состав выходит за область метода B, значения ориентировочные. Фактический состав плавки по сертификату может сдвинуть результат на десятки градусов: по верхним пределам марки сталь 45 при толщине 40 мм требует уже 345 °C.

Когда калькулятор не считает

Формулы углеродного эквивалента применимы к углеродистым и низколегированным сталям. Для других материалов калькулятор вместо числа показывает рекомендацию:

• Чугун (углерода более 2,14 %) — формулы для стали неприменимы; см. ремонтная сварка чугуна.
• Высокомарганцевая сталь (110Г13Л) — не подогревают; в холоде деталь только прогревают до 20–27 °C. Металл у шва не должен нагреваться выше 260 °C: сталь теряет вязкость.
• Аустенитная нержавеющая сталь — подогрев не нужен независимо от толщины; см. виды нержавеющих сталей.
• Мартенситная нержавеющая сталь (20Х13 и подобные) — подогрев 200–300 °C и последующий отпуск; ферритная — подогрев обычно не нужен, сварка с малой погонной энергией, межпроходная температура не выше 100–120 °C; см. сварка мартенситных сталей.
• Инструментальные и высокоуглеродистые стали (углерода более 0,6 %, хрома более 3 % и т. п.) — подогрев назначают по данным производителя марки, обычно 250–450 °C.

Примеры расчёта

Пример 1. Наплавка шейки вала из стали 45.

Вал Ø 80 мм, покрытый электрод с основным покрытием (H5), 24 В, 160 А, 9 м/ч.

• Расчётная толщина: 80 / 2 = 40 мм
• CET = 0,46 + 0,65/10 = 0,525 % — выше области метода B (0,50), результат ориентировочный
• Скорость 9 м/ч = 2,5 мм/с; погонная энергия: 0,8 × 24 × 160 / 2,5 / 1000 = 1,23 кДж/мм
• EN 1011-2: 243,8 + 20,5 + 8,9 − 1,0 = 272 °C → подогрев не ниже 275 °C
• По Сефериану: [C] = 0,532 × (1 + 0,005 × 40) = 0,639 → 220 °C

Для сравнения: по данным производителя стали C45 (аналог стали 45) рабочая температура при сварке — около 250 °C.

Пример 2. Рутиловый или основной электрод.

Стык листов S355J2 толщиной 30 мм, режим как в примере 1.

• С основным электродом (H5): 130 °C
• С рутиловым электродом (водород не ограничен, расчёт при 20 мл/100 г): не ниже 200 °C

Замена электрода на низководородный снижает необходимый подогрев на 70 °C.

Отраслевые требования

Расчёт ориентировочный. Если объект подпадает под отраслевой нормативный документ, действуют его требования:

• РД 153-34.1-003-01 (РТМ-1с) — трубные системы котлов и трубопроводы энергетического оборудования;
• СП 70.13330.2012 — стальные строительные конструкции: при температуре воздуха ниже указанной в табл. 10.2 выполняют местный подогрев до 120–160 °C в зоне шириной 100 мм с каждой стороны соединения (п. 10.2.7);
• НП-104-18 — оборудование и трубопроводы атомных энергетических установок;
• отраслевые стандарты для магистральных газо- и нефтепроводов, технические условия на ремонт крановых конструкций.

Для термоупрочнённых и износостойких листов не превышайте максимальную температуру подогрева, указанную производителем стали.

Другие методы расчёта подогрева — по индексу Pcm и твёрдости зоны термического влияния (AWS D1.1, приложение B), по эквиваленту CEN (JIS B 8285) — сопоставлены в ISO/TR 17844. Калькулятор использует метод B EN 1011-2 — его же применяют калькуляторы производителей стали.

Вопросы и ответы

Расчёт ориентировочный и предназначен для оценки температуры подогрева на этапе подготовки. Он не заменяет технологическую карту сварки, требования отраслевой нормативной документации и рекомендации производителей стали и сварочных материалов.