Процесс
Предварительный нагрев — это нагрев свариваемой детали до температуры выше комнатной до или во время сварки. Предварительный нагрев требуется в соответствии со спецификациями до и после сварки. Однако при определенных условиях могут использоваться и другие методы. Независимо от того, требуется ли предварительный нагрев или нет, он имеет ряд преимуществ:
• Снижение усадочных напряжений в сварном шве и прилегающем основном металле, что особенно актуально для сварных швов с высокими значениями напряжений.
• В критическом температурном диапазоне при охлаждении сварного шва следует замедлить скорость охлаждения, чтобы предотвратить чрезмерное упрочнение и снизить пластичность сварного шва и зоны термического воздействия (ЗТВ).
• Замедление скорости охлаждения в диапазоне температур 400°F (около 200°C) дает больше времени для выхода водорода из сварного шва и прилегающего основного металла, предотвращая образование трещин, вызванных водородом.
• Удалите загрязнения.
• Величина предварительного нагрева определяется не минимальным стандартом, указанным в спецификации, а одним или несколькими из следующих методов:
Таблицы расчетов
На протяжении истории существовало множество «таблиц для расчета предварительного нагрева». Многие из них выполнены в виде линейных или круговых логарифмических линеек и позволяют прогнозировать температуру предварительного нагрева, определяя материал и толщину основного металла.
Углеродный эквивалент
Углеродный эквивалент (УЭ) — это способ определить, требуется ли предварительный нагрев и в какой степени.
Если CE ≤ 0,45%, предварительный нагрев можно выбрать произвольно.
Если 0,45 <= CE <= 0,60%, диапазон температур предварительного нагрева составляет от 200°F до 400°F (100°–200°C).
Если CE > 0,60%, диапазон температур предварительного нагрева составляет от 400° до 700°F (200°–350°C).
Если CE > 0,5, следует отложить заключительный этап неразрушающего контроля (НК) как минимум на 24 часа, чтобы определить, произошло ли отложенное растрескивание.
Параметры трещины
Когда содержание углерода в эквиваленте равно или меньше 0,17 мас.%, или при использовании высокопрочных сталей, можно использовать метод обнаружения трещин по параметрам Ито и Бессио (Pcm). Этот метод позволяет точно предсказать, когда следует проводить предварительный нагрев, когда — принудительный предварительный нагрев и до какой температуры. В частности,
Если Pcm ≤ 0,15%, предварительный нагрев возможен при любой температуре.
Если 0,15% < Pcm < 0,26–0,28%, предварительно нагрейте до 200–400°F (100–200°C).
Если Pcm > 0,26–0,28%, предварительно нагрейте до 400–700 °F (200–350 °C).
Тест искры
Искровой тест десятилетиями используется как метод оценки содержания углерода в углеродистой стали. Чем выше содержание углерода, тем сильнее искра и тем больше требуется предварительный нагрев. Этот метод, хотя и не очень точный, прост. Он позволяет определить относительно высокую или низкую температуру предварительного нагрева.
Общее правило
Другой, менее точный, но эффективный метод выбора температуры предварительного нагрева заключается в расчете повышения температуры предварительного нагрева на 100°F (50°C) на каждые 10 пунктов содержания углерода (0,10 мас.%). Например, если содержание углерода составляет 0,25 мас.%, то температура предварительного нагрева составляет 250°F (125°C) или, по крайней мере, начинается с 250°F (125°C). Если вблизи сварного шва присутствуют покрытия или другие компоненты, то температура предварительного нагрева, определенная в первоначальной спецификации производителя, не подходит. Однако, если тепловая энергия сварки близка к максимально допустимому диапазону стандартного процесса, тепло, передаваемое свариваемым компонентам, может быть компенсировано тепловой энергией сварки, в результате чего обрабатываемый металл нагревается до минимального требуемого уровня предварительного нагрева или выше, так что можно применить более мягкий режим предварительного нагрева внешними средствами. Важно отметить, что здесь используются диапазоны и неточные преобразования (°F в °C). Это сделано намеренно. Предварительный нагрев — это не точная наука. Во многих случаях нормально продолжать повышать температуру предварительного нагрева до тех пор, пока проблема не будет решена (например, трещина не исчезнет). И наоборот, в некоторых конкретных областях применения даже более низкая температура предварительного нагрева, чем рекомендовано или требуется в соответствии со спецификацией, может обеспечить желаемый результат.
Практическое применение
Также необходимо уделять внимание практическим навыкам, чтобы избежать проблем, связанных с размягчением материала из-за предварительного нагрева. Выбирайте сварочные процессы и электроды, которые выделяют меньше водорода. Некоторые методы могут уменьшить или минимизировать остаточные напряжения. Тщательно контролируйте правильность применения метода предварительного нагрева. Следующие описания важны для успешного использования этих методов.
Размеры и методы сварки канавок
Технологии, используемые в процессе сварки, оказывают значительное влияние на усадку сварного шва заготовки, остаточные напряжения, контроль подводимой температуры и предотвращение образования трещин.
Короткие сварные швы дают меньшую продольную усадку, чем длинные. Остаточные напряжения также можно уменьшить, используя обратную сварку или специальные последовательности сварки.
Контролируйте или уменьшайте подвод тепла. Вместо сварных швов с большими колебаниями можно использовать линейные швы с небольшими колебаниями.
Уменьшить трещины
Образование дуговых кратеров и трещин в сварных швах можно уменьшить или полностью устранить, используя надлежащие производственные процессы.
1) Сварные швы с круглым поперечным сечением образуют наименьшее количество трещин по сравнению со сварными швами с тонким и широким поперечным сечением.
2) Избегайте резких пусков или остановок. Процесс сварки и формирование сварного шва контролируются с помощью методов сварки с наклоном вверх/вниз или электрическими методами, зависящими от источника сварочного тока.
3) Наплавленного материала должно быть достаточно, чтобы избежать растрескивания, вызванного усадкой сварного шва или обычной сваркой. Общее правило, позволяющее избежать растрескивания из-за недостаточного наплавления (и требуемое многими производственными спецификациями), заключается в наплавлении не менее 3/8 дюйма (10 мм) или 25% от толщины сварного шва.
Методы предварительного нагрева
Предварительный нагрев может производиться в цехе или на объекте с помощью пламенного нагрева (воздушно-топливный или ацетиленовый), резистивного нагрева или индукционного электрического нагрева. Независимо от используемого метода, предварительный нагрев должен быть равномерным и, если не требуется иное, по всей толщине сварного шва. На рисунке 1 показано оборудование, использующее резистивный (неизолированный, как будет показано далее) и индукционный нагрев.
Контроль предварительного нагрева
Для измерения и контроля температуры можно использовать различное оборудование. Сборку или сварной шов следует предварительно нагреть для полного проплавления материала. По возможности, степень проплавления следует проверить или оценить. Как правило, для большинства сварочных работ достаточно контроля температуры на расстоянии от края сварного шва. Контроль или считывание значения температуры не должны вызывать загрязнение сварного шва.
Температурные индикаторы
Эти инструменты, похожие на ручки или карандаши, плавятся при определенной температуре и могут использоваться для простого и экономичного определения минимальной температуры, которая должна быть достигнута во время предварительного нагрева, то есть температуры, при которой ручка плавится. Недостаток заключается в том, что это не сработает, если температура заготовки выше температуры плавления ручки. Когда температура заготовки слишком высока, требуется больше ручек с разными температурами плавления.
Электронный контроль температуры
Для предварительного нагрева и сварочных работ также могут использоваться устройства прямого измерения, такие как контактные пирометры или термопары прямого считывания (с аналоговыми или цифровыми индикаторами). Все измерительные устройства должны быть откалиброваны или иметь какой-либо способ проверки их способности измерять диапазон температур. Поскольку термопары могут непрерывно контролировать и сохранять данные, их можно использовать с самописцами или системами сбора данных для операций предварительного нагрева или термической обработки после сварки. Стандарт AWS D10.10 предоставляет различные схемы и примеры размещения термопар.
«Собственный» мониторинг
На протяжении десятилетий используются многочисленные «самодельные» методы для определения достаточности температуры предварительного нагрева. Один из них, конечно же, заключается в распылении слюны или дымовой жидкости непосредственно на заготовку. «Щелчок» слюны служит индикатором температуры. Хотя этот метод не очень точен, многие «опытные мастера» его используют.
Другой, более точный метод определения температуры предварительного нагрева — использование ацетиленовой горелки. Пламя регулируется до высокой степени карбонизации, в результате чего на нагреваемой области образуется слой сажи. Затем горелку регулируют до средней степени дымообразования, нагревая область сажи. Когда сажа исчезает, температура поверхности может достигать более 400°F (200°C).
Убедитесь, что температура предварительного нагрева достигается по всей толщине заготовки и зоны сварки. Контроль осуществляется в основном только на внешней поверхности заготовки. Рекомендации AWS D10.10 содержат полезные указания по зонам нагрева и требуют нагрева всей толщины заготовки при сварке труб друг с другом.
Во время предварительного нагрева необходимо тщательно следить за процессом, чтобы избежать перегрева основного металла, особенно при использовании методов резистивного или индукционного нагрева. Многие производители теперь требуют установки термопар под каждой пластиной резистивного нагрева или индукционной катушкой для контроля и предотвращения перегрева.
Краткое содержание
Независимо от необходимости предварительного нагрева и используемого метода, он обеспечивает следующие преимущества: снижение усадочных напряжений в сварном шве и прилегающем основном металле, что особенно полезно для сварных соединений с высокой степенью жесткости; замедление скорости охлаждения заготовки в критическом температурном диапазоне, предотвращающее чрезмерное упрочнение заготовки и уменьшающее размягчение сварного шва и зоны термического влияния; замедление скорости охлаждения заготовки при прохождении через температурный диапазон 400°F (200°C), что дает водороду больше времени для диффузии из сварного шва и прилегающего основного металла, предотвращая водородное растрескивание; удаление загрязнений. При предварительном нагреве лучше всего равномерно нагревать всю толщину сварного шва при заданной температуре предварительного нагрева. Чрезмерный локальный нагрев может привести к повреждению материала, поэтому старайтесь его избегать.
Дата публикации: 04.11.2024