Predgrijavanje, temperatura između prolaza, dogrijavanje. Svrha, potreba, izračunavanje To

Predgrijavanje podrazumijeva zagrijavanje područja zavarivanja iznad temperature okoline, na propisanu temperaturu To, prije početka zavarivanja, te održavanje te temperature za vrijeme zavarivanja. Predgrijavanje je primarno unošenje topline u zavar, a kasnije se izvorom energije zavarivanja (napr. el. lukom) sekundarno unosi toplina u zavar, pa su konačni efekti rezultat primarnog i sekundarnog unošenja topline.

Ciljevi predgrijavanja

Najčešće (za nelegirane, niskolegirane i visokočvrste čelike) se predgrijavanje vrši u cilju izbjegavanja hladnih pukotina, jer se predgrijavanjem postižu efekti suprotni onima, koji uzrokuju hladne pukotine. Hladne pukotine uzrokuje krhka zakaljena struktura, difuzijski vodik i reakcijska zaostala naprezanja. Predgrijavanjem se postižu ovi efekti:

a) Smanjenje brzine hlađenja ZUT i ZT u odnosu na veće brzine, ako se ne vrši predgrijavanje. Princip je prikazan na sl. 7.27. Smanjenjem brzine hlađenja se smanjuje količina tvrdih faza: (zakaljene martenzitne ili nekih manje tvrdih struktura).

tii58.jpg (16857 bytes)

b. Omogućavanje izlaska (efuzije) difuzijskog vodika. Atomarni difuzijski vodik lakše difundira kroz metalnu kristalnu rešetku pri višim temperaturama, jer je srednji razmak između atoma metala veći.

Manja su zaostala naprezanja. Budući da je područje zavarivanja na višoj temperaturi, ono je produženo za D l, pa će stezanje sredine zavara nakon hlađenja D l biti manje, nego ako nije bilo predgrijavanja, pa će i rezultirajuća zaostala naprezanja biti manja, sl. 7.28.

tii59.jpg (17280 bytes)

Ako se pretpostavi da se može izdvojiti zavar od okolnih limova, tada bi on nakon hlađenja bio kraći od okoline (HLADNO). Budući da je vezan za okolinu, rezultat su zaostala naprezanja na vlak u sredini zavarenog spoja i naprezanja na tlak u susjednim zonama. Predgrijavanjem se hladna okolina također istegne, pa će se pri hlađenju skraćivati zajedno sa sredinom zavara, ali za manju veličinu, što ima za posljedicu manje zaostale napetosti uz predgrijavanje.

Tipični slučajevi predgrijavanja:

Pri zavarivanju martenzitnih čelika (npr. 12 % Cr) predgrijava se područje zavarivanja na temperaturu iznad Ms, da bi ZT i ZUT bili tijekom zavarivanja u području strukture austenita. Nakon zavarivanja se namjerno vrši hlađenje ispod Mf, da bi se struktura pretvorila u igličasti krhki martenzit (600 HV), koji se kasnije popuštanjem raspada, pa se postiže žilava struktura raspadnutog martenzita. Detaljnije vidjeti u poglavlju 12.0 - Zavarivanje martenzitnih čelika. U ovom slučaju nije cilj predgrijavanja izbjegavanje krhke martenzitne strukture nakon zavarivanja, nego tijekom zavarivanja. I kod ovih čelika predgrijavanje ima za cilj olakšanje izlaska difuzijskog vodika i smanjenje zaostalih naprezanja.

Pri zavarivanju niskolegiranih čelika, napr. Cr-Mo (do 2.5 % Cr i do 1% Mo) preporuča se da se predgrijavanje nakon zavarivanja ne prekida, nego se u nastavku temperatura podigne i vrši se toplinska obrada popuštanja tvrdoće. Na taj način se:

Pri zavarivanju visokočvrstih mikrolegiranih i niskolegiranih čelika (HSLA) temperatura predgrijavanja To ne smije biti niti suviše visoka, niti niska, nego se se mora držati u strogim granicama To min i To max (To max = Tm ... temperatura između prolaza) napr. 150-220 oC. Preniska temperatura predgrijavanja može dati pretvrdu i krhku strukturu, a previsoka grubozrnatu i krhku strukturu uz omekšanje pojedinih zona.

Pri zavarivanju austenitnih čelika, napr. 18/8 tipa, zabranjuje se predgrijavanje, jer je štetno. Potrebno je što kraće vrijeme hlađenja zavara kroz područje 850-450 oC, u kojem se izlučuju krhki Cr karbidi na granicama zrna, a koji su uzrok kasnije interkristalne korozije u prisustvu agresivnih medija u eksploataciji. Čak se preporuča dodatno hlađenje zavara vodom da bi hlađenje bilo brže. Temperatura pri zavarivanju svakog prolaza se također ograničava na napr. najviše 100 oC. Time se osigurava brže hlađenje zavara i izbjegavanje stvaranja Cr karbida.

Određivanje temperature predgrijavanja

Na koju temperaturu je potrebno zonu zavarivanja predgrijati i da li je uopće potrebno vršiti predgrijavanje (ili dovoljna temperatura metala, koja je jednaka temperaturi okoline) određuje se na temelju:

Ako je temperatura okoline ispod + 5 oC, tada se preporuča predgrijavanje na temperaturu 60-80 oC, da bi materijal bio žilaviji čime se smanjuje opasnost krhkog loma, inicijacije i propagacije pukotina zbog zaostalih naprezanja. Ako materijal ima dobru žilavost pri niskim temperaturama može se odustati od ovog predgrijavanja. Prije početka zavarivanja pri niskim temperaturama poželjno je predgrijavanje na 15-50 oC da bi se odstranila kondenzirana vlaga s površine metala. Ovakvo predgrijavanje može biti samo početno, jer će se kasnije materijal dovoljno zagrijati zavarivanjem.

Preporuke i formule za predgrijavanje vrijede za stacionarne uvjete zavarivanja koji se ostvaruju na dovoljno dugim zavarenim spojevima. Drugačiji, nepovoljniji se uvjeti javljaju na pripojima, počecima prolaza, nastavcima prolaza, kao i na završecima. Zato se napr. za pripoje, koji su uvijek kratki, preporuča temperatura predgrijavanja 20-40 oC viša od temperature predgrijavanja propisane za zavarivanje. Viša temperatura predgrijavanja za pripoje i kratke zavare se može sažeto obrazložiti slijedećim činjenicama:

a. Na kratkim zavarima se ne uspostavlja stacionarno (kvazistacionarno) temperaturno polje. Napr.brzine hlađenja su veće. Za REL zavarivanje se može uzeti da se nakon oko 50 mm dužine prolaza uspostavlja stacionost uvjeta dovođenja i odvođenja topline. Kod automatskog EP zavarivanja ta dužina je veća, oko 200 mm.

b. Reakcijska zaostala naprezanja od stezanja su zbog malog nosivog presjeka pripoja velika, pa je vjerojatnost hladnih pukotina na pripojima i kratkim malim zavarima povećana.

c. Elektrode za REL zavarivanje su na početku hladnije, s više vlage, koja može na početku zavara uzrokovati pukotine i/ili poroznost.

Jedan praktičan način za izbjegavanje grešaka odnosno loše kvalitete zavara na počecima i završecima zavara je postavljanje “produžnih ploča”, koje se kasnije odrezuju i odstranjuju skupa s početnim i završnim (kraterske pukotine) dijelovima zavara.

Širina zone predgrijavanja

Potrebno je zagrijati šire područje zavarivanja na temperaturu predgrijavanja, a ne samo rubove spoja. Što je zona predgrijavanja šira, bit će temperaturni gradijent manji i manja će biti termička naprezanja pri predgrijavanju. Preporuča se širina zone predgrijavanja 3-4 debljine lima sa svake strane spoja kako je prikazano na slici dolje

 

tii60.jpg (20771 bytes)

Mjerenje temperature predgrijavanja se vrši u zoni širine 4s, a temperature između prolaza na mjestu A.

Temperatura između prolaza Tm se kontrolira neposredno prije zavarivanja slijedećeg prolaza, sl. 7.29 u točki A. Tm je ustvari maksimalno dopuštena temperatura predgrijavanja To max. Tm i To su temperature metala i nije dobro ako se jače razlikuju. Tako se za visokočvrste čelike preporuča Tm = To max = 220 oC. Za niskolegirane čelike, koji su manje osjetljivi se preporuča Tm = 400 - 500 oC.

Dogrijavanje se provodi nakon završetka zavarivanja nastavljajući grijanje područja zavarivanja na temperaturi 200-300 oC u trajanju oko 2 h. Cilj ove naknadne toplinske obrade je omogućavanje izlaska difuzijskog vodika iz ZUT i ZT da se smanji vjerojatnost pojave hladnih pukotina u inkubacijskom periodu. Više temperature, do 500 oC i duže vrijeme daju bolji efekt izlaska vodika.

Dogrijavanje se provodi kao nastavak predgrijavanja uz obično nešto višu temperaturu. Dogrijavanje se često primjenjuje pri zavarivanju visokočvrstih čelika.

Određivanje temperature predgrijavanja. Ukoliko nema podataka iz proteklih procesa zavarivanja ili podataka iz literature, prvi je korak korištenje jedne od računskih metoda za određivanje minimalno potrebne temperature predgrijavanja. Tako je za čelike povišene čvrstoće pogodna metoda autorima Ito i Bessy-u. Po ovoj metodi potrebno je za proračun temperature predgrijavanja uzeti u obzir mikrostrukture, vodika i vlačnih reakcijskih naprezanja da bi se spriječila pojava hladnih pukotina.

Parametar sklonosti pukotinama:

Pw = PCM + , %

ili  Pw = PCM + , %

H ....sadržaj difuzijskog vodika u zoni taljenja prema japanskoj glicerinskoj probi.

Konverzija IIW probe u glicerinsku probu vrši se formulom:

Hjap= 0.64 HIIW - 0.39

d ......... debljina materijala, mm

K ......... reakcijska zaostala naprezanja ovisna o upetosti zavarenog spoja, N mm-2

K = Ko . d , (10 N mm-1)

d = debljina lima u mm (formula vrijedi za debljine do 150 mm).

Kasnije su istraživači Suzuki i Yurioka predložili točniji izraz za debljine do 38 mm:

K = 1352 d - 14.75 d2

PCM...... ekvivalent ugljika prema Ito i Bessyo

PCM = C +

Temperatura predgrijavanja za ZUT, ako se uvrsti sastav OM ili za ZT, ako se uvrsti sastav ZT.

To = 1440 .Pw - 392, oC

Područje važnosti izraza za To :

C = 0.07 - 0.22 %

Si = 0.60

Mn = 0.4 - 1.4

Cu < 0.5

Ni < 1.2

Cr < 1.2

Mo < 0,7

V < 0.15

B < 0.05

Sadržaj difuzijskog vodika: 1-5 cm3/100 gr Fe , debljina materijala: d < 50 mm.

Izračunavanje temperature predgrijavanja prema Ito i Bessyo se preporuča za visokočvrste čelike (HSLA)

Povratak na početnu stranicu - povratak na popis pitanja iz Tehnologije zavarivanja !!