Підігрів і термообробка зварних з’єднань сталевих конструкцій: коли вони потрібні

Звідки беруться тріщини, яких не видно одразу

Головна причина підігріву — холодні, або водневі, тріщини. Вони з’являються не під час зварювання, а після нього: коли шов уже охолов майже до кімнатної температури, іноді через кілька годин, іноді наступної доби.

Для такої тріщини потрібні три умови одночасно. Перша — загартована зона біля шва: якщо метал у зоні термічного впливу охолоджується надто швидко, у ньому виникає тверда крихка структура. Друга — водень у металі шва, який потрапив із вологи, іржі, мастила, відсирілого електрода чи флюсу. Третя — розтягувальні напруження від усадки шва й жорсткості вузла. Досить прибрати одну з трьох.

Підігрів працює на першу умову й частково на другу: деталь остигає повільніше, структура виходить м’якшою, а водень встигає піти з шва. Решту беруть на себе сухі низьководневі матеріали та розумна послідовність швів. Сам стандарт на дугове зварювання феритних сталей вважає найдієвішою мірою саме зменшення кількості водню, що потрапляє в шов.

Від чого залежить, чи потрібен підігрів

Єдиної цифри «підігрівати від такої-то товщини» немає. Потреба й температура випливають із поєднання чинників, і саме тому їх записують у технологічну інструкцію зварювання (WPS), а не в загальні технічні умови.

Холод, різання й різнорідні сталі

Стандарт на виконання сталевих конструкцій прямо згадує температуру: якщо метал холодніший за 5 °C, до нього можна застосувати належний підігрів. Це не «обов’язково нагріти до 5 °C», а дозвіл і сигнал: на холоді потреба в підігріві зростає, і цеховий, і монтажний зварник мають діяти за WPS. Методи визначення підігріву в додатку до стандарту на дугове зварювання феритних сталей, крім того, розраховані на метал вище 0 °C; при мінусових температурах можуть знадобитися особливі вимоги.

Підігрів зустрічається й поза зварюванням. Після термічного різання поверхня вільної кромки може загартовуватися; стандарт допускає застосувати попередній підігрів матеріалу, щоб обмежити це зміцнення.

Температура підігріву й температура між проходами

Це два різні числа, і плутати їх не можна. Температура підігріву — температура металу в зоні шва безпосередньо перед початком зварювання. Температура між проходами — температура шва й прилеглого металу перед накладанням наступного проходу. Є ще температура підтримання: мінімальна, яку тримають, якщо зварювання перервали (зміна, обід, переміщення виробу).

Підігрів діє не лише на основні шви. Стандарт вимагає виконувати його за чинною WPS і застосовувати протягом усього процесу зварювання, враховуючи прихваткові шви та приварювання тимчасових деталей: упорів, косинок, технологічних планок. Прихватка — найкоротший шов з найменшим тепловкладенням, холодна деталь гасить її миттєво, і тріщина може початися саме з неї.

Температуру між проходами обмежують і знизу, і зверху. Знизу, щоб шов не остигав швидше, ніж потрібно. Зверху, бо якщо не давати шву охолонути і проходи йдуть один за одним, околошовна зона довго лишається гарячою, зерно росте й ударна в’язкість падає. Особливо чутливі нормалізовані й термомеханічні сталі та конструкції, що працюють на морозі. Тому в WPS стоїть і мінімум підігріву, і максимум між проходами.

Місце й спосіб вимірювання задає стандарт на вимірювання температури підігріву й між проходами (EN ISO 13916), на який посилається стандарт на виконання. Звичайні засоби: термоолівці, контактний термометр, термопара. Оцінка «на око» за кольором металу чи за димом не вимірювання.

Що ще знижує ризик, крім підігріву

Підігрів рідко працює сам. У WPS поруч із температурами записують зварювальні матеріали й режим тепловкладення: стандарт на виконання вимагає, щоб у документах планування були зазначені вимоги до зварювальних матеріалів, контроль витрат теплоти, щоб уникнути місцевого зміцнення на малих проходах, і спеціальне поводження з матеріалами, наприклад низьководневими.

Практично це означає таке. Електроди й флюси зберігають, сушать і використовують за рекомендаціями виробника; електроди з тріщинами чи лущенням покриття, дріт зі слідами іржі відбраковують. Кромки очищають від іржі, мастила й вологи. Зварювання ведуть так, щоб не переривати підігрів.

Якщо ризик холодних тріщин високий, шов іноді тримають теплим ще певний час після завершення: або підтримують мінімальну температуру між проходами, або нагрівають вузол одразу після зварювання, поки він не охолов нижче мінімальної температури. Мета — випустити водень. Тривалість залежить від товщини, і задає її WPS.

Післязварювальна термообробка: що це

Це контрольований нагрів уже зварених деталей з витримкою й повільним охолодженням. Найчастіше йдеться про відпуск (відпал) для зняття напружень: вузол нагрівають до температури нижче точки перетворення сталі, витримують і остуджують за заданим графіком.

Навіщо це роблять. Знижують залишкові напруження від зварювання. Роблять м’якшою структуру в зоні біля шва. Випускають залишки водню. Стабілізують геометрію, якщо після зварювання вузол ще оброблятимуть різанням: без цього напруження можуть «повести» деталь уже після обробки.

Нормалізація — інша термообробка: нагрів вище температури перетворення й охолодження на повітрі, після якого структура стає однорідною й дрібнозернистою. Як операція після зварювання будівельних конструкцій вона трапляється рідко. Частіше з нею стикаються як зі станом поставки прокату (літера N в позначенні сталі) або після гарячого формування, коли охолодженням не вдається керувати.

Сама термообробка не безпечна. У несприятливому поєднанні складу сталі й режиму відпуску в металі виділяються карбіди й нітриди, пластичність падає, і під час зняття напружень з’являються тріщини. Тому режим не вигадують на ходу, а підтверджують технологією.

Коли вимагають термообробку після зварювання

Стандарт на виконання сталевих конструкцій не називає товщини, від якої відпуск обов’язковий. Він лише вимагає, щоб, коли термообробка зварних компонентів потрібна, застосовані технології були підтверджені. Тобто сама вимога береться з проєкту, з технічних умов або зі стандарту на виріб. Якщо ж термообробка потрібна, а стандарту на виріб немає, стандарт на дугове зварювання феритних сталей приписує задати подробиці в проєктних вимогах, зваживши вплив на основний метал, зону термічного впливу й метал шва.

Підстави, з яких її призначають, зазвичай такі:

• товсті жорсткі з’єднання, де без відпуску залишаються великі напруження;
• вузли, що працюють за низьких температур або під втомним навантаженням, коли потрібна гарантована в’язкість біля шва;
• середовище, яке разом із напруженнями дає корозійне розтріскування: тоді зменшують напруження й твердість;
• деталі, які після зварювання проходять точну механічну обробку.

Для сталей S235–S355 у звичайних товщинах відпуск потрібен лише тоді, коли його вимагає проєкт: ризик холодних тріщин знижують підігрівом, матеріалами й послідовністю швів. Він з’являється в особливих вузлах і там, де цього прямо вимагає проєкт.

Це дорога операція. Виріб має вміститися в піч або нагріватися локально з вимірюванням температури; після нагріву він може змінити геометрію; мають бути протокол і перевірені прилади. Стандарт на якість термообробки перелічує параметри, які задають у процедурі: температура завантаження, швидкість нагріву, температура й час витримки, швидкість охолодження, температура вивантаження. Процедуру можна включити у WPS або дати в WPS посилання на неї; для кожного виробу ведуть протокол. «Термообробка на всякий випадок» у КМ — дорога помилка, бо вона нічого не дає без обґрунтованого режиму.

Марка сталі й товщина

Наведене нижче — порівняння за складом і станом поставки, а не таблиця температур. Цифри для конкретної сталі й товщини беруть із WPS.

Товщина й вибір марки

Товщина впливає двічі. Вона визначає швидкість охолодження шва, а отже й підігрів. І вона є однією з причин, чому для товстого прокату вибирають сталь з вищою ударною в’язкістю або кращим класом: це вже питання проєкту, його розібрано в статті Як вибрати марку сталі. Граничні значення вуглецевого еквівалента за ДБН наведено в статті Як вибрати марку сталі.

Різна товщина в одному стику теж потребує уваги: підігрів визначають за тим, скільки металу сходиться біля шва, і одна конструкція може містити кілька різних умов. Типи швів і підготовку кромок розібрано окремо: типи зварних з’єднань і швів.

Пауза перед контролем швів

Холодні тріщини з’являються із запізненням, тому стандарт на виконання не припускає, що додатковий неруйнівний контроль шва закінчують раніше, ніж мине мінімальний час витримки після зварювання. Цей час залежить від розміру шва (для кутового — його розрахункова товщина, для стикового з повним проплавленням — товщина металу), тепловкладення й марки сталі. Таблиця нижче — для випадку, коли температуру підігріву визначали за методом А стандарту на дугове зварювання феритних сталей (вуглецево-марганцеві сталі).

Як читати таблицю витримки

«Лише період охолодження» означає, що контроль починають, коли шов охолов достатньо. Для підігрівів за методом B (низьколеговані високоміцні сталі) стандарт дає інші значення: для сталей S275–S690 при розмірі шва до 20 мм — лише період охолодження, понад 20 мм — 24 год; для сталей вище S690 — 24 й 48 год відповідно.

Якщо виріб після зварювання ще певний час підігрівають, ці періоди можуть бути скорочені. Проміжок між завершенням шва й початком контролю записують у протокол контролю. Якщо подальші роботи закриють доступ до шва, його перевіряють до їх початку.

Для замовника з цього випливає практичне: у календарному плані на товстих швах у високоміцній сталі між зварюванням і ультразвуковим контролем лежить пауза до двох діб. Огляд і ультразвук у нас власні; радіографію ми не виконуємо. Про контроль загалом див. контроль якості металоконструкцій.

WPS, КМ і КМД: де що записано

Стандарт на виконання вимагає, щоб технологічні інструкції зварювання, визначені кваліфікацією технології, містили вимоги до зварювальних матеріалів, будь-якого попереднього підігріву, температури металу між проходами й термообробки після зварювання. Клас виконання (EXC) задає, яка частина EN ISO 3834 застосовується до планування зварювання; для EXC2–EXC4 прихваткові шви виконують за кваліфікованою технологією.

Тож температури живуть у WPS, а не в кресленнях. Проєктувальнику належить інше: що підігрівати, не говорячи скільки градусів, але вказати марку й клас сталі, товщини, вимоги до зварюваності й до контролю, а якщо потрібна термообробка після зварювання, її мету й обсяг.

Монтажні шви

Усе сказане стосується і швів, які виконують на майданчику, але тут умови гірші: вітер, дощ, мінусова температура, складний доступ. Монтажні шви в КМД позначають окремо від заводських. Підігрів, захист від погоди й відповідна WPS на них — відповідальність організації, яка зварює на об’єкті: монтаж виконує партнерська будівельна компанія за проєктом виконання робіт. Тому в проєкті виконання робіт варто мати посилання на WPS для монтажних швів, особливо в зимовий період.

Типові помилки

Помилки зазвичай не в формулі, а в організації:

• підігріли основний шов і забули про прихватки та тимчасові приварки, а їх стандарт також включає в підігрів;
• мірять температуру «на око» або не там, де вимагає WPS, а пальником гріють так швидко, що кромка перегріта, а метал у глибині ще холодний;
• не стежать за верхньою межею між проходами, особливо на нормалізованих і термомеханічних сталях;
• не просушили електроди й флюс або зберігали їх відкритими;
• зварюють на вітрі й на вологому металі без захисту, на монтажі особливо зимою;
• ремонтують шов без повторного підігріву: ремонтна наплавка працює в тих самих умовах, що й основний шов, а метал навколо уже має напруження;
• не виконали паузу перед контролем і «пропустили» тріщину, яка проявилася б наступного дня;
• записали в КМ термообробку без мети й режиму, і її не можна ані підтвердити, ані прийняти;
• не врахували, що термомеханічна сталь не терпить нагріву понад дозволене виробником прокату.

Що це означає для замовлення у нас

Зварювання виконуємо самі, з оглядом і ультразвуковим контролем власними силами; радіографічний контроль ми не виконуємо. Щоб ми заклали правильні умови, у запиті або в проєкті вкажіть: марку й клас сталі, товщини, клас виконання (EXC), вимоги до контролю й, окремим пунктом, чи потрібна термообробка після зварювання, і якщо так, то навіщо й для яких вузлів. Термообробка впливає на строки й собівартість, тому її потрібно згадати в запиті.

Як проєктують креслення й що має бути в КМД: проєктування КМ і КМД і виготовлення металоконструкцій. Якщо тріщина з’явилася на вже зварених конструкціях, її ремонт розібрано в статті про типові пошкодження сталевих конструкцій.

Нормативи й чинність

Вимоги до виконання зварювання, зокрема підігріву, температури між проходами, термообробки після зварювання й мінімальної витримки перед контролем, подає ДСТУ EN 1090-2:2019 «Виконання сталевих та алюмінієвих конструкцій. Частина 2. Технічні вимоги до сталевих конструкцій» (чинний від 01.07.2020, замінив ДСТУ Б EN 1090-2:2014). У статті використано пункти 7.1, 7.2.2, 7.5.3, 7.5.5, 7.5.6, 7.5.7, 7.5.15, таблицю 23 і пункт 12.4.2.1.

Для підігріву й температур між проходами стандарт на виконання відсилає до ДСТУ EN 1011-2:2022 «Зварювання. Рекомендації щодо зварювання металевих матеріалів. Частина 2. Дугове зварювання феритних сталей» (ідентичний EN 1011-2:2001, чинний від 31.12.2023). Для якості термообробки — ДСТУ EN ISO 17663:2022 «Зварювання. Вимоги до якості термічного оброблення у зв’язку зі зварюванням та суміжними процесами» (за EN ISO 17663:2009, чинний від 31.12.2023). Міжнародний ISO 17663 уже оновлено в 2023 році, тому перевіряйте, яка редакція чинна для вашого проєкту.

Український ДСТУ EN ISO 13916:2015 про вимірювання температури скасовано з 01.01.2024 без названої заміни, а ДСТУ EN 1090-2 на нього досі посилається. Яку редакцію застосовувати, потребує перевірки в проєкті.

Температури підігріву й термообробки в статті не наведено навмисно. Їх беруть із кваліфікованої WPS або з чинного тексту стандартів, для вашої марки сталі, товщини й вузла. Граничні вмісти вуглецю й вуглецевий еквівалент сталей за ДБН В.2.6-198:2014 наведено в статті про вибір марки сталі.