ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМОИНДИКАТОРНЫХ КАРАНДАШЕЙ THERMOMELT HEAT STIK® В СВАРКЕ МЕТАЛЛОВ

1. Контроль температуры металлов в зоне термического влияния

2. Контроль температуры металлов при предварительном подогреве перед сваркой, при сопутствующем подогреве и термообработке после сварки

3. Применение термоиндикаторных карандашей THERMOMELT HEAT STIK® в сварке металлов

Время чтения 15 минут

Сварка металлов – одна из самых часто используемых технологий получения неразъёмного соединения изделий из металлов.
     При этом, сварка относится к процессу, который оказывает самое большое воздействие как на само соединение, так и на металл соединяемых изделий.

1. Контроль температуры металлов в зоне термического влияния

• Величина зоны термического влияния (ЗТВ)
• Термический цикл сварки и структура сварного соединения
• Побежалость

Самым важным параметром, определяющим степень воздействия сварки на соединяемые металлы, является так называемая «зона термического влияния».

Зона термического влияния - объём металла или другого материала, который при сварке не доводится до плавления, однако его микроструктура и свойства меняются под воздействием выделяемого тепла. Под влиянием теплового и деформационного воздействия сварочного процесса может наблюдаться ухудшение свойств металла зоны термического влияния по сравнению со свойствами основного металла.
     Разрушение сварных соединений происходит в основном по зоне термического влияния, локализованной у сопряжения шва с основным металлом.
     Принятый технологический процесс сварки должен обеспечивать по возможности оптимальные условия формирования зоны термического влияния и получение необходимого и достаточного качества металла на этом участке, от которого в значительной мере зависит работоспособность сварных конструкций.

Величина зоны термического влияния (ЗТВ)

Чем выше теплопроводность, тем больше величина зоны термического влияния. Следовательно и тем больше возможность возникновения деформации и напряжений при сварке.
     Количество теплоты, выделяемое в процессе сварки играет для ЗТВ важную роль. Так в процессе кислородной (т.е. – газовой) сварки используется высокая погонная энергия, при этом увеличивается размер зоны термического влияния.
     При ручной дуговой сварке стали тонко-обмазанными электродами и при автоматической сварке под слоем флюса размеры зоны термического влияния минимальны (2-2,5 мм.) при сварке электродами с толстой обмазкой протяженность этой зоны равна 4-10 мм., а при газовой сварке 20-25 мм.
     К структуре зоны термического влияния и к свойствам сварного соединения предъявляют разнообразные требования, зависящие от вида металла, технологии изготовления и типа конструкции и её служебного назначения.
     Часто оказывается возможным так выбирать параметры режима сварки, чтобы, удовлетворив требованиям производительности сварки и формирования шва, обеспечить термический цикл, вызывающий благоприятные изменения структуры и свойств.
     Расчёт термического цикла может установить те пределы технологического режима сварки, при которых не происходит местного изменения пластических свойств, могущих понизить несущую способность сварного соединения, особенно при ударной нагрузке, при наличии концентраторов напряжения и при низких температурах эксплуатации.

Термический цикл сварки и структура сварного соединения

Металл в любой зоне сварного соединения испытывает нагрев и последующее охлаждение. Изменение температуры металла во время сварки называется термическим циклом сварки.
     При нагреве и охлаждении в металле происходят различные структурные и фазовые превращения. Кроме этого, в металле в низкотемпературной области при сварке происходят структурные изменения, вызывающие разупрочнение основного металла.

На рис. 2 показано, как распределяется максимальная температура в сварном соединении, при дуговой сварке низкоуглеродистой стали, схематичная структура разных зон соединения, изменение температуры (термические циклы) в этих зонах и свойства металла.

На участке 1 металл, который находился в расплавленном состоянии, затвердевая, образует сварной шов. Грубая структура металла шва является неблагоприятной, так как снижает прочность и пластичность металла. Ширина участка 1 составляет примерно половину ширины шва.

Участок неполного расплавления 2 – переходный от наплавленного металла к основному. На этом участке происходит образование соединения и проходит граница сплавления, он представляет собой очень узкую область (0,1–0,4 мм.) основного металла. Температура участка составляет 1530-1470°С. Этот участок обычно является наиболее слабым местом сварного соединения с пониженной прочностью и пластичностью. Свойства переходной зоны оказывают подчас решающее влияние на работоспособность сварной конструкции. На этом участке часто образуются трещины, ножевая коррозия, усталостные разрушения при вибрационной нагрузке, хрупкие разрушения и т. п. Ширина переходной зоны зависит от природы источника нагрева, теплофизических свойств, состава и толщины (до определенных пределов) основного металла, режима сварки и других факторов.

Участок перегрева 3 – область основного металла, нагреваемого до температур 1470-1100°С, в связи с чем металл отличается пониженными механическими свойствами (пластичностью и ударной вязкостью). Эти свойства тем ниже, чем шире зона перегрева. Ширина участка 3 составляет 3-4 мм.
     Обычно, особенно в тех случаях, когда перегрев сочетается с последующей закалкой, металл на втором участке околошовной зоны обладает худшими свойствами (меньшая пластичность, меньшая стойкость против перехода в хрупкое состояние), чем основной металл вне зоны термического влияния. Задача выбора рациональной технологии сварки сводится в первую очередь к обеспечению наименьшего ухудшения свойств металла на этом участке.

Участок нормализации 4 – область металла, нагреваемого до температур 880-1100°С. Металл этого участка обладает высокими механическими свойствами. Ширина участка 4 составляет 0,2-0,4 мм.

Участок неполной перекристаллизации 5 – зона металла, нагреваемого при сварке до температур 720-880°С. Металл этого участка имеет более низкие механические свойства, чем металл предыдущего участка. Ширина его составляет 0,1-3 мм.
     Изменения структуры металла на этом участке значительно меньше влияют на качество сварного соединения углеродистых конструкционных сталей, чем изменения, происходящие в первых трех участках.

Участок рекристаллизации 6 – область металла, нагреваемого в пределах температур 510–720°С. Если сталь перед сваркой испытала холодную деформацию (прокатку, ковку, штамповку), то на этом участке развиваются процессы, приводящие к разупрочнению. Ширина участка 6 составляет 0,1-1,5 мм.

Участок 7, который называют еще «зоной синеломкости», нагреваемый в области температур 200-510°С, является зоной перехода от зоны термического влияния к основному металлу. В этой зоне могут протекать процессы старения в связи, с чем механические свойства металла этой зоны понижаются. Этот участок в процессе сварки не претерпевает видимых структурных изменений. Так как этот участок расположен вне зоны концентрации напряжений, наличие его в большинстве случаев не представляет непосредственной опасности для работоспособности конструкции.
     При сварке других металлов и сплавов характер структур в околошовной зоне может быть другим.

Побежалость

Побежалостью называют тонкие прозрачные оксидные пленки, образующиеся на поверхности металла. Синему цвету соответствуют более разогретые участки, желтому – более низкотемпературные.
Появляются цвета побежалости в диапазоне температур 400-200°С на участке номер 7. Для низкоуглеродистых сталей при высоком содержании в ней кислорода, азота, водорода в этом месте наблюдается снижение величин пластичности и ударной вязкости.
     Отдельно нужно сказать о появлении радужных пленок на поверхности коррозионостойких сталей Появляются они в более широком диапазоне. Цветовая гамма меняется от синего (700°С) до светло-соломенного цвета (300°С) и свидетельствует о том, что слой оксида хрома, защищающий металл от коррозии нарушен. Ни один из цветов не является «безопасным» и может привести к образованию питтинговой коррозии.

Примеры контроля величины зоны термического влияния:

Пример 1. Известно, что автомобильные детали, подлежащие наплавке, изготовляются из конструкционных углеродистых и легированных сталей и, как правило, термически обработаны на высокую твердость, работают преимущественно на износ при значительных нагрузках, во многих случаях знакопеременных. При восстановлении деталей сваркой и наплавкой детали подвергаются большим тепловым воздействиям. При этом важно обеспечить деталям требуемые жёсткость, прочность и износостойкость. В этом отношении большую роль играют глубина проплавления основного металла, величина зоны термического влияния, структура наплавленного слоя и качество его поверхности и др. Все эти свойства и эксплуатационная долговечность восстановленных деталей определяются режимами наплавки и возникающими при этом тепловыми воздействиями на деталь, применяемыми материалами (электродная проволока, флюсы, электроды) и др.

Пример 2. При определении исходной длины заготовок для сварки инструмента, помимо припусков на оплавление и осадку, следует предусматривать припуски на механическую обработку сваренной заготовки. Кроме того, заготовка из инструментальной стали должна быть удлинена на величину зоны термического влияния сварки, в пределах которой режущие свойства стали несколько понижаются (из-за всегда имеющегося при сварке перегрева стали вблизи стыка).

Пример 3. При сварке полос с трубами угловыми швами с двух сторон без зазора суммарная величина глубины проплавления и зоны термического влияния в месте соединения с полосой не должны превышать 70% толщины ее стенки.

Пример 4. Поскольку в конструкциях резервуаров для хранения жидкого топлива используют толстые плиты, часто для увеличения производительности применяют сварку с высокой погонной энергией. Если погонная энергия при сварке слишком велика, то в зоне термического влияния сварных соединений имеет место склонность к образованию микропористости.
     Плиты, предназначенные для изготовления резервуаров для хранения сжиженных газов, должны иметь однородную мелкозернистую структуру для предотвращения микропористости. Отсутствие микропористости позволяет обеспечить более тщательный ультразвуковой контроль сварных швов и улучшить прочностные свойства.

2. Контроль температуры металлов при предварительном подогреве перед сваркой, при сопутствующем подогреве и термообработке после сварки

• Предварительный подогрев
• Термическая обработка

Предварительный подогрев основного металла выполняется перед сваркой до температуры, называемой температурой предварительного подогрева. При этом может повышаться температура всего изделия или только в зоне вокруг точки сварки.

Предварительный подогрев в основном применяется по следующим причинам:

• Снижается скорость остывания наплавленного и основного металла, что позволяет создать материал из более вязкого состава с большей устойчивостью к образованию трещин.
• Меньшая скорость охлаждения позволит диффузионному водороду безопасно рассеяться без риска образования трещин.
• Позволяет снизить усадочное напряжение шва и прилегающего металла основы, что особенно важно для соединений под высоким напряжением.
• Поднимает температуру некоторых марок стали до значения, при котором не может произойти хрупкий излом. Кроме этого, предварительный подогрев может использоваться для того, чтобы обеспечить нужные механические свойства, например, ударной вязкости.
• Повышение качества сварных соединений, выполненных при низких температурах. С помощью подогрева ведут борьбу с трещинообразованием, улучшают пластические свойства сварного соединения, а при сварке в жестком контуре улучшают состояние металла, снимая внутренние остаточные напряжения. Кроме этого, подогревая кромки детали перед сваркой в зимних условиях, попутно очищают этим соединяемые участки от снега, влаги и ржавчины, предупреждая возможность образования пор в металле шва. Режим подогрева зависит от окружающей температуры и марки стали. Иногда, особенно при сварке легированных сталей, применяют подогрев и после окончания сварки с целью снизить скорость охлаждения сварного соединения и улучшить его качество.

Температура и зона необходимого прогрева зависит от типа материала, его толщины и последующего процесса обработки.
     Эффективность применения подогрева зависит от точности, равномерности и управляемости процессом распределения температуры по всей толщине материала в требуемой зоне термического влияния, а также скорости выполнения подогрева.
     Предварительный и сопутствующие подогревы выполняются различными способами. Но, при этом, как долго соединение должно нагреваться для достижения желаемой температуры, остается неточной наукой.

Термическая обработка

Для многих высокоуглеродистых и легированных сталей одного предварительного подогрева оказывается недостаточно и для обеспечения нужного качества сварных соединений требуется последующая термическая обработка, которую производят сразу же после сварки.
     Существует несколько видов термической обработки, назначаемых в зависимости от состава стали: отжиг, нормализация, закалка, низкотемпературный отжиг (высокий отпуск). Отжиг применяют для придания стали наибольшей пластичности, улучшения структуры шва и зоны термического влияния, а также для снятия остаточных сварочных напряжений.
     Отжиг заключается в нагреве изделия до температуры, превышающей критическую на 30-50°С, в выдержке при этой температуре до полного прогрева изделия и последующем медленном охлаждении вместе с печью. Нормализация улучшает структуру шва, зону влияния и снимает остаточные сварочные напряжения. При нормализации изделия нагревают так же, как при отжиге, но охлаждают на воздухе с большей скоростью. Сталь, подвергнутая нормализации, приобретает большую прочность, но становится менее пластичной, чем при отжиге.
     Закалка увеличивает твердость и прочность стали, а также способствует получению структуры аустенита в высоколегированных сталях. Условия нагрева изделия, подвергающегося закалке, такие же, как при отжиге, но охлаждение производят быстро в воде, масле или других средах.
     Низкотемпературный отжиг (высокий отпуск) применяют после закалки для смягчения структуры и снятия или уменьшения остаточных напряжений. При низкотемпературном отжиге металл нагревают до температуры ниже 600-680°С, выдерживают при этой температуре и медленно охлаждают.

Достижение правильной температуры при термообработке чрезвычайно важно.
     Если при термообработке сварного соединения оно было нагрето выше рекомендуемой температуры, прочность сварного шва будет низкой. Если температура термообработки ниже рекомендуемой - сварной шов останется твёрдым и хрупким.

Примеры контроля температуры предварительного и сопутствующего подогрева изделий:

Пример 1. При приварке к массивным деталям тонкостенных деталей для предотвращения появления трещин производят предварительный подогрев деталей в местах сварки до температуры 250—300° С.

Пример 2. Сварка деталей большого сечения затрудняется ввиду повышенного отвода тепла от стыка в глубь деталей, что тормозит процесс расплавления и разрушения перемычек. Для предупреждения этого применяют предварительный подогрев деталей и термическую обработку после сварки - отжиг.

Пример 3. При сварке бронзовых деталей во избежание появления трещин от внутренних напряжений рекомендуется предварительный подогрев их до температуры 400—500°С.

Пример 4. Сварные соединения вольфрама при нормальной температуре хрупки и весьма склонны к образованию трещин. Поэтому сварку выполняют с предварительным подогревом основного металла до температуры не менее 500°С.

Пример 5. Дополнительные трудности возникают при газовой сварке меди из-за ее уникальных теплофизических свойств. Медь обладает высокой теплоёмкостью и теплопроводностью (в 6-7 раз выше, чем у стали), повышенным коэффициентом линейного расширения при нагревании (в 1,5 раза выше, чем у стали).
     Эти свойства обусловливают большую, чем при сварке стали, зону термического влияния и приводят к появлению значительных тепловых деформаций, которые могут вызывать при охлаждении сварного шва значительные напряжения.
     Для компенсации больших теплопотерь из-за повышенной теплоемкости и теплопроводности меди рекомендуется использовать предварительный или сопутствующий подогрев кромок металла.

Пример 6. Предварительный подогрев кромок труб требуется для предотвращения образования трещин в сварных стыках труб из высокопрочного металла со стенкой повышенной толщины.
     Предварительный подогрев свариваемых кромок является одной из наиболее ответственных технологических операций при сварке стыков магистральных трубопроводов. Предварительный подогрев применяется для регулирования термического цикла при сварке за счет изменения начальной температуры стыка, вследствие чего уменьшается скорость охлаждения металла.
     Особенно чувствительны к действию термического цикла, к надрезам и ударным нагрузкам низколегированные стали с эквивалентом углерода 0,45% и выше.

Пример 7. Большое затруднение при сварке алюминия и его сплавов вызывает образование пор в металле сварного шва. В отличие от стали поры в алюминии располагаются преимущественно внутри шва вблизи границы сплавления его с основным металлом и у поверхности шва. Борьба с пористостью при сварке алюминия — первостепенная задача, стоящая перед технологами. При ручной дуговой сварке толстолистового металла применяют предварительный и сопутствующий подогрев до температуры 200-400°С. Подогрев облегчает удаление газовых пузырьков из сварочной ванны, а пленка окиси алюминия препятствует дальнейшему поступлению водорода в жидкий металл. При сварке толстолистовых алюминиевомагниевых сплавов допускается нагрев до температуры не свыше 100-150°С. При сварке подогретого металла получаются низкие механические свойства соединений. Азот практически не растворяется в алюминии, а дает переходящий в шлак нитрид алюминия и поэтому не вызывает появления пор.
     Дополнительные трудности при сварке легированных сплавов алюминия вызваны образованием холодных трещин. При сварке так называемых самозакаливающихся (алюминий-цинк-магниевых) сплавов подобные трещины возникают спустя определенный промежуток времени после сварки. Такой вид трещин часто именуют задержанным разрушением. Для борьбы с задержанным разрушением применяют предварительный подогрев сварных соединений до температуры 200-220°С.

Пример 8. Ремонт рельсов железнодорожных путей наплавкой. Перед началом наварки ремонтируемый фрагмент рельса должен быть подогрет до температуры 350°С. Температура рельса не должна опускаться ниже 350°С до завершения сварки. Если сварка прекращается более чем на 3 минуты, требуется дополнительный предварительный подогрев и ожидание 2 минуты, а температура снова проверяется до начала сварки.

3. Применение термоиндикаторных карандашей THERMOMELT HEAT STIK® в сварке металлов

Эффективным способом контроля температуры металлов в зоне термического влияния, температуры предварительного подогрева, сопутствующего подогрева и термообработки после сварки является маркировка важных (с точки зрения операции) участков поверхности изделий с помощью калиброванных термоиндикаторных карандашей THERMOMELT HEAT STIK® компании Markal.
     Когда температура поверхности изделия в контролируемой зоне достигает указанной на карандаше, метка будет плавиться, давая четкую визуальную индикацию – плавление метки происходит практически мгновенно.
На всех этапах сварочных работ (предварительного подогрева, в процессе самой сварки, сопутствующего подогрева и термообработки после сварки) метки наносятся на оба изделия, на определённом расстоянии от места соединения по всей его длине.
     Расстояние между соединением и метками зависит от химического состава металлов, их толщины, а также жёсткости конструкции.

На рис. 4 продемонстрировано нанесение меток одним термоиндикаторным карандашом в пределах зоны термического влияния. Температурный рейтинг термоиндикаторного карандаша выбирается в соответствии с максимально допустимой величиной температуры в контролируемой зоне.
     Как правило, в справочной литературе (или инструкциях) указан диапазон температур (нижний и верхний предел) поверхности свариваемых металлов в контролируемой зоне. В этом случае рекомендуется нанести термоиндикаторными карандашами две метки – одна рядом с другой, значения индикации температуры (температуры плавления метки) должны соответствовать нижнему и верхнему пределу диапазона температур или быть близкими к этим пределам.

На рис. 5 продемонстрировано нанесение меток двумя термоиндикаторными карандашами для контроля температуры металлов в процессе их предварительного подогрева перед сваркой. Разные цвета меток (на рисунке) соответствуют термоиндикаторным карандашам с разным температурным рейтингом.

Пример: Необходимо контролировать температуру предварительного подогрева поверхности свариваемых металлов в диапазоне 700-800°С.

Для этого наносятся, рядом друг с другом, две метки:

• термоиндикаторным карандашом с температурой плавления 704°С
• термоиндикаторным карандашом с температурой плавления 788°С (следующий карандаш имеет температуру плавления 804°С – выше рекомендованного верхнего предела)

При предварительном подогреве металлов перед сваркой, расстояние от меток до места соединения определяется либо опытным путём, либо – из справочной литературы. Для лучшей видимости меток термоиндикаторного карандаша, их рекомендуется наносить на предварительно подогретую поверхность.

ТЕРМОИНДИКАТОРНЫЕ КАРАНДАШИ THERMOMELT HEAT STIK® И CERTIFIED THERMOMELT HEAT STIK® КОМПАНИИ MARKAL

THERMOMELT HEAT STIK® - это уникальный термоиндикаторный карандаш для измерения температуры поверхности, гарантирующий точность измерений, надёжность и удобство в применении и соответствие требованиям различных отраслей. Специально спроектированный для точной индикации температуры термоиндикаторный карандаш THERMOMELT HEAT STIK® является лучшим выбором для решения критичных задач во множестве отраслей.

• Доступно более 100 температурных индикаторов, позволяющих определять температуру в диапазоне от 38°C до 1 204°C.
• Термоиндикаторный карандаш мгновенно плавится при достижении заданной температуры поверхности, что легко и быстро определяется визуально.
• Термоиндикаторный карандаш не требует калибровки.
• Точность измерения: до +3% по шкале Цельсия.
• Уникальный нескользящий металлический держатель гарантирует удобство и полный контроль.
• Прослеживаемость: все изделия THERMOMELT HEAT STIK® маркированы с указанием номинальной температуры и номера партии и соответствуют требованиям Национального института стандартов и технологий США.

В тех случаях, когда к обрабатываемому металлу предъявляются очень высокие требования в части коррозионной стойкости, компания Markal рекомендует использовать термоиндикаторные карандаши CERTIFIED THERMOMELT HEAT STIK®.

CERTIFIED THERMOMELT HEAT STIK® - термоиндикаторный карандаш для точной индикации температуры при предварительном подогреве, сопутствующем подогреве, для определения температуры сварочного шва и термообработке после сварки, CERTIFIED THERMOMELT HEAT STIK® является лучшим выбором для решения критичных задач в атомной промышленности, энергетике, военной промышленности, нефтегазовой промышленности.

• Доступен 21 температурный индикатор, что позволяет определять температуру в диапазоне от 38°C до 343°C.
• Термоиндикаторный карандаш мгновенно плавится при достижении заданной температуры поверхности, что легко и быстро определяется визуально.
• Термоиндикаторный карандаш не требует калибровки.
• Точность измерения: до +3% по шкале Цельсия.
• Уникальный нескользящий металлический держатель гарантирует удобство и полный контроль.
• Прослеживаемость: все изделия THERMOMELT HEAT STIK® маркированы с указанием номинальной температуры и номера партии и соответствуют требованиям Национального института стандартов и технологий США.
• Сертифицирован в соответствие со стандартами: ANSI / ASME код B32.1 и B31.3, AWS DI.I и ASME Code Sec. I, III и VII, NIST Traceable.
• Результаты испытаний подтверждают, что CERTIFIED THERMOMELT HEAT STIK® содержит менее 200 частей на миллион от общего количества галогенов и 250 частей на миллион серы и каждого металла с низкой температурой плавления, что соответствует техническим требованиям RDT F-7-3T от MIL-STD-2041D и US Energy Research and Development Administration.

Обратите внимание: цвет стержня термоиндикаторного карандаша не указывает на то – какова температура его плавления. Сигналом достижения соответствующей температуры в контролируемой зоне является плавление нанесенной метки. Цвет стержня термоиндикаторного карандаша может быть изменен без предварительного уведомления.