Предварительный подогрев свариваемых деталей — обязательная операция при работе с углеродистыми и легированными сталями повышенной толщины или повышенной прочности. Подогрев замедляет скорость охлаждения шва и зоны термического влияния, что предотвращает образование мартенситных и трооститных структур, снимает водородное охрупчивание и резко снижает риск холодных трещин. Норма температуры зависит от химического состава стали (углеродного эквивалента CE), толщины свариваемого металла, типа конструкции и условий окружающей среды. Норматив разбирает методику расчёта температуры подогрева, способы её достижения и контроля.
Назначение предварительного подогрева
Подогрев решает четыре задачи:
- Замедление скорости охлаждения шва и зоны термического влияния — критическая скорость охлаждения для большинства сталей лежит в диапазоне 5–30 °C/с. Подогрев снижает фактическую скорость до 1–3 °C/с.
- Удаление поверхностной влаги — в зоне сварки не остаётся источников водорода.
- Удаление диффузионного водорода из шва — нагретый металл «выдыхает» водород за время остывания.
- Снижение остаточных сварочных напряжений за счёт более равномерного температурного поля.
Какие стали требуют подогрева
Базовый критерий — углеродный эквивалент CE, рассчитываемый по формуле IIW (Международный институт сварки):
CE = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15
где значения элементов берутся в процентах из сертификата на металл. Пороговые значения CE:
- CE ≤ 0,40 % — подогрев не требуется при типовой сварке.
- 0,40 % < CE ≤ 0,50 % — подогрев требуется при толщине свыше 25 мм или при низких температурах.
- 0,50 % < CE ≤ 0,60 % — подогрев обязателен от толщины 20 мм.
- CE > 0,60 % — подогрев обязателен для любой толщины и любых условий.
Температуры подогрева по классу стали
| Класс стали | Примеры марок | CE, % | T подогрева, °C |
|---|---|---|---|
| Низкоуглеродистая | Ст3, С245 | 0,30–0,40 | Не требуется до 30 мм |
| Среднеуглеродистая | Сталь 35, Сталь 45 | 0,42–0,55 | 150–200 |
| Высокоуглеродистая | Сталь 60, У8 | 0,55–0,75 | 250–350 |
| Низколегированная | С345, 09Г2С | 0,40–0,50 | 100–150 (от 25 мм) |
| Низколегированная прочная | 10ХСНД, 14Г2АФ | 0,50–0,60 | 150–200 |
| Среднелегированная | 20Х, 40Х, 30ХГСА | 0,55–0,75 | 250–350 |
| Высоколегированная | 20Х13, 30Х13 | 0,50–0,70 | 200–300 |
| Теплоустойчивая | 12Х1МФ, 15ХМ | 0,45–0,60 | 200–300 |
Аустенитные нержавеющие стали (12Х18Н10Т, AISI 304/316) подогрева не требуют, наоборот — чем холоднее основной металл при сварке, тем меньше риск межкристаллитной коррозии в зоне термического влияния.
Поправки по толщине металла
| Толщина, мм | Поправка к табличной T | Примечание |
|---|---|---|
| До 10 | −30…−50 °C | Можно снизить или отказаться |
| 10–20 | 0 | Базовая T по таблице |
| 20–40 | +30…+50 °C | Увеличить |
| 40–60 | +50…+80 °C | Увеличить, контроль сопутствующего |
| Свыше 60 | +80…+120 °C | Сопутствующий подогрев обязателен |
Дополнительно: при температуре окружающей среды ниже +5 °C температура подогрева увеличивается на 20–50 °C от табличной. При температуре ниже −10 °C сварка ряда сталей без подогрева запрещена нормами.
Способы выполнения подогрева
- Газовые горелки (ацетилен-кислород, пропан-кислород) — основной способ для деталей средних размеров. Нагрев ведётся равномерно с обеих сторон шва на ширину не менее 4-кратной толщины металла.
- Индукционные нагреватели — для серийных деталей и труб. Высокая скорость, точная регулировка, минимум обслуживания.
- Электронагреватели сопротивления (нагревательные маты, гибкие ТЭН) — для крупных конструкций, ёмкостей, трубопроводов. Маты накладываются на зону шва и питаются от регулируемого источника.
- Печной нагрев — для мелких и средних деталей, которые помещаются в печь целиком. Самый равномерный нагрев, контроль термопарами.
- Электродуговые подогреватели — стационарное оборудование для сложных монтажных условий.
Контроль температуры
- Термокарандаши (термоиндикаторы) — палочки с заданной температурой плавления. Касаются металла, расплавление обозначает достижение этой температуры. Точность ±5 °C, простой контроль на объекте.
- Контактные термопары — устанавливаются магнитным или сварным контактом, точность ±2–5 °C. Применяются для документального контроля.
- Пирометры — бесконтактный измеритель по тепловому излучению. Удобно для горячего металла, требует учёта коэффициента излучения (для окисленной стали 0,8–0,9, для нержавейки 0,3–0,4).
- Стационарные термопары при печном нагреве — встроенные в нагревательную камеру.
Контроль ведётся не в точке наложения дуги (там температура от дуги), а на расстоянии 75–100 мм от шва на той же толщине металла.
Сопутствующий подогрев в процессе сварки
На толстом металле или при многослойной сварке температура зоны шва падает между проходами. Если она опускается ниже температуры предварительного подогрева — повышается риск трещин. В этом случае применяется сопутствующий подогрев: между проходами температура поддерживается на уровне 0,8–1,0 от предварительной горелками или нагревательными матами. Контроль — между каждым проходом.
Послесварочная термообработка
Для ответственных конструкций после сварки выполняется отпуск (термообработка для снятия остаточных напряжений). Режим — нагрев до 580–680 °C, выдержка 1 минута на 1 мм толщины (минимум 30 минут), охлаждение со скоростью не более 50 °C в час до 300 °C, далее на воздухе. Послесварочный отпуск обязателен для сосудов под давлением, ответственных мостовых конструкций, трубопроводов высокого давления — по требованию проектной документации.
Принципы выбора режима подогрева
- Базовая температура — из таблицы по классу стали и CE.
- Поправка на толщину — по второй таблице.
- Поправка на температуру окружающей среды — +20–50 °C ниже +5 °C.
- Ширина зоны подогрева — не менее 4-кратной толщины металла по обе стороны от оси шва, но не менее 75 мм.
- Способ контроля — термокарандаши на серийных работах, термопары на ответственных.
- При многослойной сварке толстого металла — обязательный сопутствующий подогрев.
- При ответственных швах — обязательная послесварочная термообработка по требованию проекта.
Типовые ошибки
- Подогрев только в зоне шва без учёта окружающего металла — резкий градиент температур, трещины от термических напряжений.
- Контроль температуры в точке наложения дуги — измерение завышено за счёт нагрева дугой, реальная температура основного металла ниже.
- Отсутствие сопутствующего подогрева при многослойной сварке толстого металла — трещины между проходами.
- Подогрев газовой горелкой в одной точке вместо равномерного нагрева — локальный перегрев, риск окисления и нежелательных структурных превращений.
- Сварка низколегированной стали С345 толщиной 30 мм без подогрева — холодные трещины через 12–48 часов после остывания.
- Несоблюдение скорости охлаждения после послесварочной термообработки — образование вторичных закалочных структур.
- Применение пирометра без учёта коэффициента излучения для окисленной/блестящей поверхности — погрешность 50–100 °C.
Часто задаваемые вопросы
Можно ли определить температуру подогрева по цвету металла?
Низкие температуры (100–300 °C) визуально на стали не определяются — никаких цветов побежалости ещё нет. Цвета появляются при 220–300 °C (соломенный, жёлтый, фиолетовый, синий), но это уже окисление и плохой ориентир. Точно — термокарандаш, термопара или пирометр.
Нужен ли подогрев при сварке арматуры?
Для арматуры классов А240 и А400 толщиной до 20 мм при температуре выше +5 °C подогрев не требуется. Для А500С и А600 подогрев обязателен от диаметра 20 мм, температура 100–150 °C.
Что делать, если после начала сварки температура подогрева упала ниже нормы?
Остановить сварку, разогреть зону шва до нужной температуры, продолжить с того же места. Прерывание шва допустимо при условии последующей разделки кратера и зачистки места возобновления.
Можно ли заменить предварительный подогрев увеличением сварочного тока?
Нет. Увеличение тока расширяет зону термического влияния, но не замедляет скорость охлаждения шва — расплавленный металл всё равно остывает быстро в контакте с холодной массой основного металла. Подогрев и ток — разные регулирующие факторы.
Сколько времени нужно на подогрев крупной детали?
Для равномерного прогрева толстостенной детали (50 мм и более) — от 1 до 4 часов в зависимости от массы и способа нагрева. Конкретное время — по техкарте, с контролем по термопарам в разных точках конструкции.
Сокращения и обозначения
- CE — углеродный эквивалент (carbon equivalent).
- IIW — International Institute of Welding, Международный институт сварки.
- ЗТВ — зона термического влияния.
- ТЭН — трубчатый электронагреватель.
- HV, HRC — единицы твёрдости (Виккерс, Роквелл).
- А240, А400, А500С, А600 — классы арматуры по пределу текучести.
Материал подготовлен по действующим на дату публикации редакциям ТНПА. Применение рекомендаций должно учитывать актуальность нормативной базы и конкретные условия объекта.