Подогрев и термообработка сварных соединений стальных конструкций: когда они нужны

Откуда берутся трещины, которых не видно сразу

Главная причина подогрева — холодные, или водородные, трещины. Они появляются не во время сварки, а после неё: когда шов уже остыл почти до комнатной температуры, иногда через несколько часов, иногда на следующие сутки.

Для такой трещины нужны три условия одновременно. Первое — закалённая зона у шва: если металл в зоне термического влияния охлаждается слишком быстро, в нём возникает твёрдая хрупкая структура. Второе — водород в металле шва, попавший из влаги, ржавчины, смазки, отсыревшего электрода или флюса. Третье — растягивающие напряжения от усадки шва и жёсткости узла. Достаточно убрать одно из трёх.

Подогрев работает на первое условие и отчасти на второе: деталь остывает медленнее, структура получается мягче, а водород успевает уйти из шва. Остальное берут на себя сухие низководородные материалы и разумная последовательность швов. Сам стандарт на дуговую сварку ферритных сталей считает наиболее действенной мерой именно уменьшение количества водорода, попадающего в шов.

От чего зависит, нужен ли подогрев

Единой цифры «подогревать с такой-то толщины» нет. Потребность и температура следуют из сочетания факторов, и поэтому их записывают в технологическую инструкцию по сварке (WPS), а не в общие технические условия.

Холод, резка и разнородные стали

Стандарт на выполнение стальных конструкций прямо упоминает температуру: если металл холоднее 5 °C, к нему можно применить надлежащий подогрев. Это не «обязательно нагреть до 5 °C», а допущение и сигнал: на холоде потребность в подогреве растёт, и цеховой, и монтажный сварщик должны действовать по WPS. Методы определения подогрева в приложении к стандарту на дуговую сварку ферритных сталей, кроме того, рассчитаны на металл выше 0 °C; при отрицательных температурах могут понадобиться особые требования.

Подогрев встречается и вне сварки. После термической резки поверхность свободной кромки может закаливаться; стандарт допускает применить предварительный подогрев материала, чтобы ограничить это упрочнение.

Температура подогрева и межпроходная температура

Это два разных числа, и путать их нельзя. Температура подогрева — температура металла в зоне шва непосредственно перед началом сварки. Межпроходная температура — температура шва и прилегающего металла перед наложением следующего прохода. Есть ещё температура поддержания: минимальная, которую держат, если сварку прервали (смена, обед, перемещение изделия).

Подогрев действует не только на основные швы. Стандарт требует выполнять его по действующей WPS и применять в течение всего процесса сварки, включая прихватки и приварку временных деталей: упоров, косынок, технологических планок. Прихватка — самый короткий шов с наименьшим тепловложением, холодная деталь гасит её мгновенно, и трещина может начаться именно с неё.

Межпроходную температуру ограничивают и снизу, и сверху. Снизу, чтобы шов не остывал быстрее, чем нужно. Сверху, потому что если не давать шву остыть и проходы идут один за другим, околошовная зона долго остаётся горячей, зерно растёт и ударная вязкость падает. Особенно чувствительны нормализованные и термомеханические стали и конструкции, работающие на морозе. Поэтому в WPS стоят и минимум подогрева, и максимум между проходами.

Место и способ измерения задаёт стандарт на измерение температуры подогрева и межпроходной (EN ISO 13916), на который ссылается стандарт на выполнение. Обычные средства: термокарандаши, контактный термометр, термопара. Оценка «на глаз» по цвету металла или по дыму измерением не является.

Что ещё снижает риск, кроме подогрева

Подогрев редко работает сам. В WPS рядом с температурами записывают сварочные материалы и режим тепловложения: стандарт на выполнение требует, чтобы в документах планирования были указаны требования к сварочным материалам, контроль расхода теплоты, чтобы избежать местного упрочнения на малых проходах, и особое обращение с материалами, например низководородными.

Практически это значит следующее. Электроды и флюсы хранят, сушат и используют по рекомендациям изготовителя; электроды с трещинами или шелушением покрытия, проволоку со следами ржавчины бракуют. Кромки очищают от ржавчины, смазки и влаги. Сварку ведут так, чтобы не прерывать подогрев.

Если риск холодных трещин высок, шов иногда держат тёплым ещё какое-то время после завершения: либо поддерживают минимальную межпроходную температуру, либо нагревают узел сразу после сварки, пока он не остыл ниже минимальной температуры. Цель — выпустить водород. Продолжительность зависит от толщины, и задаёт её WPS.

Послесварочная термообработка: что это

Это контролируемый нагрев уже сваренных деталей с выдержкой и медленным охлаждением. Чаще всего речь идёт об отпуске (отжиге) для снятия напряжений: узел нагревают до температуры ниже точки превращения стали, выдерживают и остужают по заданному графику.

Зачем это делают. Снижают остаточные напряжения от сварки. Делают мягче структуру в зоне у шва. Выпускают остатки водорода. Стабилизируют геометрию, если после сварки узел ещё будут обрабатывать резанием: без этого напряжения могут «повести» деталь уже после обработки.

Нормализация — другая термообработка: нагрев выше температуры превращения и охлаждение на воздухе, после которого структура становится однородной и мелкозернистой. Как операция после сварки строительных конструкций она встречается редко. Чаще с ней сталкиваются как с состоянием поставки проката (буква N в обозначении стали) или после горячего формования, когда охлаждением не удаётся управлять.

Сама термообработка небезопасна. При неблагоприятном сочетании состава стали и режима отпуска в металле выделяются карбиды и нитриды, пластичность падает, и при снятии напряжений появляются трещины. Поэтому режим не придумывают на ходу, а подтверждают технологией.

Когда требуют термообработку после сварки

Стандарт на выполнение стальных конструкций не называет толщины, с которой отпуск обязателен. Он лишь требует, чтобы, когда термообработка сварных компонентов нужна, применяемые технологии были подтверждены. То есть само требование берётся из проекта, из технических условий или из стандарта на изделие. Если же термообработка нужна, а стандарта на изделие нет, стандарт на дуговую сварку ферритных сталей предписывает задать подробности в проектных требованиях, учтя влияние на основной металл, зону термического влияния и металл шва.

Основания, по которым её назначают, обычно такие:

• толстые жёсткие соединения, где без отпуска остаются большие напряжения;
• узлы, работающие при низких температурах или под усталостной нагрузкой, когда нужна гарантированная вязкость у шва;
• среда, которая вместе с напряжениями даёт коррозионное растрескивание: тогда уменьшают напряжения и твёрдость;
• детали, которые после сварки проходят точную механическую обработку.

Для типовых каркасов, опор и мачт из сталей S235–S355 в обычных толщинах отпуск обычно не назначают: проблему решают подогревом, материалами и последовательностью швов. Он появляется в особых узлах и там, где этого прямо требует проект.

Это дорогая операция. Изделие должно поместиться в печь или нагреваться локально с измерением температуры; после нагрева оно может изменить геометрию; нужны протокол и поверенные приборы. Стандарт на качество термообработки перечисляет параметры, которые задают в процедуре: температура загрузки, скорость нагрева, температура и время выдержки, скорость охлаждения, температура выгрузки. Процедуру можно включить в WPS или дать в WPS ссылку на неё; на каждое изделие ведут протокол. «Термообработка на всякий случай» в КМ — дорогая ошибка, потому что без обоснованного режима она ничего не даёт.

Марка стали и толщина

Приведённое ниже — сравнение по составу и состоянию поставки, а не таблица температур. Цифры для конкретной стали и толщины берут из WPS.

Толщина и выбор марки

Толщина влияет дважды. Она определяет скорость охлаждения шва, а значит, и подогрев. И она — одна из причин, по которым для толстого проката выбирают сталь с более высокой ударной вязкостью или лучшим классом: это уже вопрос проекта, он разобран в статье Как выбрать марку стали. Там же приведены предельные значения углеродного эквивалента по ДБН; здесь они не повторены.

Разная толщина в одном стыке тоже требует внимания: подогрев определяют по тому, сколько металла сходится у шва, и одна конструкция может содержать несколько разных условий. Типы швов и подготовка кромок разобраны отдельно: типы сварных соединений и швов.

Пауза перед контролем швов

Холодные трещины появляются с запозданием, поэтому стандарт на выполнение не предполагает, что дополнительный неразрушающий контроль шва заканчивают раньше, чем пройдёт минимальное время выдержки после сварки. Это время зависит от размера шва (для углового — его расчётная толщина, для стыкового с полным проплавлением — толщина металла), тепловложения и марки стали. Таблица ниже — для случая, когда температуру подогрева определяли по методу А стандарта на дуговую сварку ферритных сталей (углеродомарганцевые стали).

Как читать таблицу выдержки

«Только период охлаждения» означает, что контроль начинают, когда шов остыл достаточно. Для подогревов по методу B (низколегированные высокопрочные стали) стандарт даёт другие значения: для сталей S275–S690 при размере шва до 20 мм — только период охлаждения, свыше 20 мм — 24 ч; для сталей выше S690 — 24 и 48 ч соответственно.

Если изделие после сварки ещё некоторое время подогревают, эти периоды могут быть сокращены. Промежуток между завершением шва и началом контроля записывают в протокол контроля. Если последующие работы закроют доступ к шву, его проверяют до их начала.

Для заказчика отсюда следует практическое: в календарном плане на толстых швах в высокопрочной стали между сваркой и ультразвуковым контролем лежит пауза до двух суток. Осмотр и ультразвук у нас собственные; радиографию мы не выполняем. О контроле в целом см. контроль качества металлоконструкций.

WPS, КМ и КМД: где что записано

Стандарт на выполнение требует, чтобы технологические инструкции по сварке, определённые квалификацией технологии, содержали требования к сварочным материалам, любому предварительному подогреву, температуре металла между проходами и термообработке после сварки. Класс выполнения (EXC) задаёт, какая часть EN ISO 3834 применяется к планированию сварки; для EXC2–EXC4 прихватки выполняют по квалифицированной технологии.

Так что температуры живут в WPS, а не на чертежах. Проектировщику принадлежит другое: указать марку и класс стали, толщины, требования к свариваемости и контролю, а если нужна термообработка после сварки, то её цель и объём.

Монтажные швы

Всё сказанное относится и к швам, которые выполняют на площадке, но там условия хуже: ветер, дождь, отрицательная температура, сложный доступ. Монтажные швы в КМД обозначают отдельно от заводских. Подогрев, защита от погоды и соответствующая WPS на них — ответственность организации, которая сваривает на объекте: монтаж выполняет партнёрская строительная компания по проекту производства работ. Поэтому в проекте производства работ стоит иметь ссылку на WPS для монтажных швов, особенно в зимний период.

Типичные ошибки

Ошибки обычно не в формуле, а в организации:

• подогрели основной шов и забыли о прихватках и временных приварках, а их стандарт тоже включает в подогрев;
• измеряют температуру «на глаз» или не там, где требует WPS, а горелкой греют так быстро, что кромка перегрета, а металл в глубине ещё холодный;
• не следят за верхним пределом между проходами, особенно на нормализованных и термомеханических сталях;
• не просушили электроды и флюс или хранили их открытыми;
• варят на ветру и по влажному металлу без защиты, на монтаже особенно зимой;
• ремонтируют шов без повторного подогрева: ремонтная наплавка работает в тех же условиях, что и основной шов, а металл вокруг уже напряжён;
• не выдержали паузу перед контролем и «пропустили» трещину, которая проявилась бы на следующий день;
• записали в КМ термообработку без цели и режима, и её нельзя ни подтвердить, ни принять;
• не учли, что термомеханическая сталь не терпит нагрева выше разрешённого изготовителем проката.

Что это значит для заказа у нас

Сварку выполняем сами, с осмотром и ультразвуком собственными силами; радиографический контроль мы не выполняем. Чтобы мы заложили правильные условия, в запросе или в проекте укажите: марку и класс стали, толщины, класс выполнения (EXC), требования к контролю и отдельным пунктом, нужна ли термообработка после сварки, и если да, то зачем и для каких узлов. Термообработка влияет на сроки и стоимость, поэтому её нужно указать в запросе.

Как проектируют чертежи и что должно быть в КМД: проектирование КМ и КМД и изготовление металлоконструкций. Если трещина появилась на уже сваренных конструкциях, её ремонт разобран в статье о типичных повреждениях стальных конструкций.

Нормативы и действительность

Требования к выполнению сварки, в частности подогрева, межпроходной температуры, термообработки после сварки и минимальной выдержки перед контролем, даёт ДСТУ EN 1090-2:2019 «Выполнение стальных и алюминиевых конструкций. Часть 2. Технические требования к стальным конструкциям» (действует с 01.07.2020, заменил ДСТУ Б EN 1090-2:2014). В статье использованы пункты 7.1, 7.2.2, 7.5.3, 7.5.5, 7.5.6, 7.5.7, 7.5.15, таблица 23 и пункт 12.4.2.1.

Для подогрева и межпроходных температур стандарт на выполнение отсылает к ДСТУ EN 1011-2:2022 «Сварка. Рекомендации по сварке металлических материалов. Часть 2. Дуговая сварка ферритных сталей» (идентичен EN 1011-2:2001, действует с 31.12.2023). Для качества термообработки — ДСТУ EN ISO 17663:2022 «Сварка. Требования к качеству термической обработки в связи со сваркой и смежными процессами» (по EN ISO 17663:2009, действует с 31.12.2023). Международный ISO 17663 уже обновлён в 2023 году, поэтому проверяйте, какая редакция действует для вашего проекта.

Украинский ДСТУ EN ISO 13916:2015 об измерении температуры отменён с 01.01.2024 без названной замены, а ДСТУ EN 1090-2 на него до сих пор ссылается. Какую редакцию применять, нужно проверить в проекте.

Температуры подогрева и термообработки в статье намеренно не приведены. Их берут из квалифицированной WPS или из действующего текста стандартов, для вашей марки стали, толщины и узла. Предельные содержания углерода и углеродный эквивалент сталей по ДБН В.2.6-198:2014 приведены в статье о выборе марки стали.