Předehřev a tepelné zpracování po svaření

Předehřev a tepelné zpracování po svaření

Co by měl svářečský kontrolor vědět o předehřevu a tepelném zpracování po svaření

Při svařování některých podkladových materiálů a za některých provozních podmínek může být požadavkem předehřev, popř. tepelné zpracování po svaření. Tyto typy tepelných úprav jsou vyžadovány pro zajištění vhodné integrity svaru a obvykle zabrání nežádoucím vlastnostem hotového svaru nebo je přímo odstraní. Jakákoli forma tepelného zpracování je nákladná, protože vyžaduje další zařízení, více času a zvláštní řešení. Z těchto důvodů by mělo být k tepelnému zpracování přikročeno pouze po pečlivém zvážení výhod, které může nabídnout. V určitých případech bude tepelné zpracování povinné, jako u těžkých profilů z nízkolegovaných ocelí, zatímco v jiných případech to bude opodstatněné opatření proti předčasnému selhání v provozu.

Existuje několik důvodů pro začlenění těchto tepelných úprav do procesu svařování. Podíváme se na některé z těch nejběžnějších.

Předehřev

Předehřev, jak je definováno ve Standardních podmínkách a definicích svařování Americké společnosti pro svařování (AWS), je „teplo aplikované na podkladový kov nebo materiál k dosažení a udržení teploty předehřevu“. Teplota předehřevu je ve stejném dokumentu definována jako „teplota podkladového kovu v objemu obklopujícím bod svařování bezprostředně před zahájením svařování. U svaru s více housenkami je to také teplota bezprostředně před zahájením druhé housenky a následujících housenek“ (mezihousenková teplota).

Jak provádět předehřev

Předehřev lze provádět pomocí plynových hořáků, kyslíko-plynových plamenů, elektrických pokrývek, indukčního ohřevu nebo ohřevu v peci. Pro dosažení vynikajících výsledků je nezbytné, aby bylo zahřívání rovnoměrné kolem oblasti spoje. Intenzivní, nerovnoměrné zahřívání má při zpomalování ochlazování malé využití a může být škodlivé tím, že způsobuje vyšší zbytková napětí ve svaru, deformace nebo nežádoucí metalurgické změny v podkladovém materiálu.

Je-li předepsaný předehřev, měl by být celý svarový spoj zahřátý rovnoměrně ve celé tloušťce kovu na požadovanou minimální teplotu. Pro dosažení rovnoměrné teploty v celé tloušťce materiálu je žádoucí přiložit zdroje tepla na jednu stranu povrchu materiálu a měřit teplotu materiálu na opačné straně.

Vždy, když je třeba provést měření ohřevu a teploty ze stejného povrchu, musí kontrolor zajistit, aby se prohřálo více než jen povrch materiálu. Je důležité zajistit, aby byla celá tloušťka materiálu zahřátá na rovnoměrnou teplotu.

Kromě stanovení teploty předehřevu může být u některých aplikací nutné zvážit i omezení teploty mezi housenkami. Tyto informace by měly být uvedeny ve specifikaci postupu svařování. Když je předepsána mezihousenková teplota, je třeba oblast svaru před navařením další svarové housenky zkontrolovat. Svařování nesmí pokračovat, pokud naměřená teplota překročí maximální podmínky mezi housenkami stanovené v postupu svařování. Před pokračováním ve svaru je nutné nechat svařenec vychladnout na předepsanou horní hranici mezihousenkové teploty.

V závislosti na metalurgických vlastnostech materiálu, popř. požadovaných mechanických vlastnostech svařované součásti může být z různých důvodů předepsán předehřev a mezihousenková teplota. Například v postupu pro svařování měkké oceli, která má nízký obsah uhlíku, relativně nízkou tvrditelnost a používá se v aplikacích bez zvláštních provozních požadavků, se může uvažovat o minimální teplotě předehřevu a mezihousenkové teplotě na základě tloušťky kovu.

V postupech svařování používaných u tepelně zpracovatelných nízkolegovaných ocelí a chrom-molybdenových ocelí s požadavky na rázovou houževnatost budou běžně stanoveny minimální a maximální požadavky na předehřev a housenkové teploty. Tyto nízkolegované materiály mohou mít vysokou tvrditelnost a budou náchylné k praskání z důvodu přítomnosti vodíku. Příliš rychlé ochlazení těchto materiálů nebo jejich přehřátí může vážně ovlivnit požadavky na jejich chování. Při svařování slitin niklu nám jde především o vysoký tepelný příkon při svařování. Tepelný příkon procesu svařování a teplota předehřevu a mezihousenková teplota mohou tyto materiály vážně ovlivnit. Vysoký tepelný příkon může mít za následek nadměrnou přirozenou segregaci, srážení karbidů a další škodlivé metalurgické jevy. Tyto metalurgické změny mohou podporovat vznik trhlin nebo ztrátu odolnosti proti korozi. Postupy pro svařování některých hliníkových slitin, jako jsou tepelně zpracovatelné slitiny, řady 2xxx, 6xxx a 7xxx, se často zabývají celkovým snížením tepelného příkonu. U těchto materiálů jsou maximální předehřev a mezihousenková teplota regulovány tak, aby se minimalizoval vliv žíhání a nadměrného stárnutí na tepelně ovlivněnou oblast (TOO) a následná ztráta pevnosti v tahu.

U kritických aplikací musí být teplota předehřevu přesně regulována. V těchto situacích se používají regulovatelné topné systémy a připojují se termočlánky ke sledování ohřívaného dílu. Tyto termočlánky dodávají signál řídící jednotce, která může regulovat zdroj energie potřebný pro ohřev. Při použití tohoto typu zařízení lze ohřívaný díl kontrolovat s mimořádně malými tolerancemi.

Proč je vyžadován předehřev

Některé z hlavních důvodů pro předehřev:

a) Odstranění vlhkosti z oblasti svaru: Obvykle se to provádí zahříváním povrchu materiálu na relativně nízkou teplotu, těsně nad bodem varu vody. Tím se povrch desky vysuší a odstraní se nežádoucí nečistoty, které by jinak mohly způsobit pórovitost, vodíkové křehnutí nebo vznik trhlin v důsledku zavedení vodíku během procesu svařování.

b) Snížení tepelného gradientu: Všechny procesy obloukového svařování využívají vysokoteplotní zdroj tepla. Mezi lokalizovaným zdrojem tepla a chladným podkladovým materiálem, který je svařován, vzniká prudký teplotní rozdíl. Tento teplotní rozdíl způsobuje rozdílnou tepelnou roztažnost a smršťování a vysoká pnutí kolem svařované oblasti. Snížením teplotního rozdílu předehřátím podkladového materiálu se minimalizují problémy spojené s deformací a nadměrným zbytkovým napětím ve svaru. Pokud se předehřev neprovádí, může dojít k velkému teplotnímu rozdílu mezi oblastí svaru a podkladovým materiálem. To může způsobit rychlé ochlazení vedoucí k tvorbě martenzitu a pravděpodobnému vzniku trhlin při svařování některých materiálů s vysokou tvrditelností.

Tepelné zpracování po svaření

Z různých důvodů a u různých materiálů se používají různé typy tepelného zpracování po svaření.

a) Uvolnění pnutí – Tepelné zpracování po svaření se nejčastěji používá pro odlehčení pnutí. Účelem uvolnění pnutí je odstranění veškerých vnitřních nebo zbytkových napětí, která mohou vznikat při svařování. Uvolnění pnutí po svaření může být nezbytné pro snížení rizika křehkého lomu, zabránění následné deformaci při obrábění nebo odstranění rizika praskání pod napětím.

b) Dosažení vhodné metalurgické struktury – U některých legovaných ocelí může být pro získání vhodné metalurgické struktury nezbytné tepelné popouštění. Tato úprava se provádí po vychladnutí svaru, ale za určitých okolností může být nutné ji provést před vychladnutím, aby se zabránilo tvorbě trhlin.

c) Normalizace po svaření – Mimořádně hrubé svarové struktury u oceli, jako jsou ty, které byly získány procesem elektrostruskového svařování, mohou po dokončení svařování vyžadovat normalizaci. Tato úprava zjemní hrubozrnnou strukturu, sníží pnutí po svaření a odstraní veškeré tvrdé zóny v tepelně ovlivněné oblasti.

d) Nabytí původních vlastností – Slitiny s rychlým tvrzením, jako jsou tepelně zpracovatelné hliníkové slitiny, musí někdy projít tepelným zpracováním po svaření, aby znovu získaly své původní vlastnosti. V některých případech se používá pouze ošetření stárnutím, ačkoli úplné tepelné ošetření v roztoku a ošetření umělým stárnutím zajistí lepší obnovu vlastností po svaření.

Pokud svařování zahrnuje předehřev, popř. tepelné zpracování po svaření, je důležité, aby svářečský kontrolor těmto požadavkům porozuměl, aby se zajistilo, že budou provedeny správně a ve smyslu příslušných specifikací postupů svařování nebo požadavků příslušného předpisu.