Калькулятор часу охолодження t8/5
Час проходу з’єднання від 800 до 500 °C вирішує, яка структура вийде в зоні термічного впливу. Це той самий параметр, який у технологічній карті захований за діапазоном погонної енергії та температурою підігріву.
Формули за EN 1011-2
Норма дає дві формули, бо тепло відводиться двома способами.
Тривимірно — метал товстий, тепло йде на всі боки:
t8/5 = (6700 − 5·T₀) · Q · (1/(500−T₀) − 1/(800−T₀)) · F3
Двовимірно — лист тонкий, тепло розтікається лише
в площині:
t8/5 = (4300 − 4,3·T₀) · 10⁵ · Q²/d² · (1/(500−T₀)² − 1/(800−T₀)²) · F2
Яка формула діє, вирішує перехідна товщина — та, за якої обидві дають однаковий результат. Калькулятор рахує її сам і показує поряд із відповіддю: нижче за неї працює 2D, вище — 3D. За тривимірного тепловідведення товщина з результату зникає: додавати метал далі безглуздо.
Коефіцієнт форми
З’єднання відводить тепло тим гірше, чим більше стінок сходиться в одному місці. Норма враховує це коефіцієнтами з таблиці D.1.
| Вид з’єднання | F2 | F3 |
|---|---|---|
| Валик на пластині | 1,0 | 1,0 |
| Стиковий шов | 0,9 | 0,9 |
| Кутовий шов, кутове з’єднання | 0,9 | 0,67 |
| Кутовий шов, таврове з’єднання | 0,45–0,67 | 0,67 |
Для таврового з’єднання норма дає F2 діапазоном 0,45–0,67. Калькулятор рахує за верхнім значенням: воно дає довше t8/5, тобто менш обережну оцінку, — саме її й варто перевіряти.
Для таврового з’єднання норма задає F2 діапазоном. Калькулятор бере верхнє значення: воно дає довший час охолодження, тобто менш обережну оцінку — і перевіряти заміром треба саме її, а не безпечну.
Який час добрий
| t8/5, с | Що це означає |
|---|---|
| < 5 | Гартівна структура в ЗТВ, твердість вище 380 HV, ризик холодних тріщин |
| 5–25 | Робочий діапазон для нелегованих і низьколегованих конструкційних сталей |
| > 25 | Велике зерно, падіння ударної в’язкості, на великих товщинах ще й деформації |
Для поліпшених високоміцних сталей — S690, S890 — виробник задає свій діапазон, зазвичай близько 6–15 с, і вийти з нього легше, ніж на S355. Там діє паспорт матеріалу, а не загальна таблиця. Те саме й з нержавійкою: у неї враховується не гартування, а час, проведений в інтервалі випадіння карбідів.
Де це потрібно
- Під час добору підігріву. Якщо температура підігріву вийшла високою, а гріти нічим — t8/5 показує, скільки доведеться добрати погонною енергією.
- Під час атестації технології. У протокол WPQR пишуть фактичну погонну енергію; перерахунок у t8/5 каже, чи є шанс отримати потрібну ударну в’язкість і твердість.
- Під час розбору тріщин. Холодна тріщина в ЗТВ — майже завжди надто короткий час охолодження в парі з воднем. Перевіряють обидва, а не одну марку електрода.
Таблиця t8/5 за погонною енергією й товщиною листа
Час охолодження для стикового шва без підігріву (20 °C), порахований тими самими формулами, що й калькулятор, — разом із вибором формули 2D чи 3D за перехідною товщиною.
| Q, кДж/мм | d = 6 мм | d = 10 мм | d = 15 мм | d = 20 мм | d = 30 мм |
|---|---|---|---|---|---|
| 0,8 | 18,2 | 6,5 | 3,83D | 3,83D | 3,83D |
| 1,0 | 28,4 | 10,2 | 4,83D | 4,83D | 4,83D |
| 1,2 | 40,9 | 14,7 | 6,5 | 5,73D | 5,73D |
| 1,5 | 63,9 | 23,0 | 10,2 | 7,13D | 7,13D |
| 2,0 | 113,6 | 40,9 | 18,2 | 10,2 | 9,53D |
| 2,5 | 177,6 | 63,9 | 28,4 | 16,0 | 11,93D |
Час t8/5 у секундах для стикового шва (F = 0,9) за початкової температури 20 °C. Позначка 3D — товщина більша за перехідну, рахує тривимірна формула; без позначки — двовимірна. Вікно 5–25 с, як у калькуляторі.
Що видно в таблиці
На тонкому листі час росте з квадратом енергії: 6 мм за 0,8 кДж/мм — 18,2 с, за 1,5 кДж/мм уже 63,9 с — далеко за вікном 5–25 с, з ризиком крупного зерна. На товстому листі (позначка 3D) товщина перестає грати роль: 20 і 30 мм за 1,2 кДж/мм дають ті самі 5,7 с, бо тепло йде вже в усі боки. Там час росте лише лінійно з енергією, і без підігріву його важко подовжити.
Приклади розрахунку
Приклад 1: лист 10 мм, 1,2 кДж/мм, без підігріву
Це значення калькулятора за замовчуванням (стиковий шов, F = 0,9).
Перехідна товщина виходить 16,1 мм, отже, за 10 мм працює формула 2D:
t8/5 ≈ 14,7 с, середня швидкість охолодження
300 / 14,7 ≈ 20,4 K/с. Результат посередині робочого вікна.
Приклад 2: той самий лист із підігрівом до 100 і 150 °C
За T₀ = 100 °C час росте до 21,1 с, за 150 °C — до 27,5 с і виходить уже за верхню межу 25 с. На тонкому листі з підігрівом легко перестаратися: для 10 мм за цієї енергії 150 °C — забагато, якщо цього не вимагає водень.
Приклад 3: S355 20 мм після підігріву до 120 °C
Без підігріву 20 мм за 1,2 кДж/мм дають 5,7 с (формула 3D) — біля самої нижньої межі. Підігрів до 120 °C, який для S355 з рутиловим електродом видає калькулятор підігріву, подовжує час до 7,6 с, а підняття енергії до 1,5 кДж/мм — до 9,6 с. Обидва важелі разом упевнено зсувають з'єднання всередину вікна.
Приклад 4: ті самі 10 мм у різних з'єднаннях
За 1,2 кДж/мм і 20 °C: валик на пластину (F = 1,0) — 16,4 с, стиковий шов (0,9) — 14,7 с, кутовий шов у тавровому з'єднанні (0,67) — 11,0 с. Три стінки забирають тепло швидше за дві, тому тавр охолоджується на чверть швидше за стик із того самого листа.
Яку погонну енергію вибрати під потрібне t8/5
Формули можна обернути. За тривимірного тепловідведення, 20 °C і
F = 0,9 час пропорційний енергії: t8/5 ≈ 4,76 · Q. Щоб
отримати 10 с на товстому листі, потрібно близько 2,1 кДж/мм — багато для
одного проходу, тому на товстих деталях час подовжують радше підігрівом. За
двовимірного тепловідведення час росте з квадратом Q: для 10 мм
t8/5 ≈ 10,2 · Q², тож 10 с дає близько 1,0 кДж/мм, а
25 с — близько 1,56 кДж/мм. Енергію за режимом зварювання порахує
калькулятор погонної енергії.
Формула 2D чи 3D: від чого залежить перехідна товщина
Перехідна товщина росте з енергією й початковою температурою. Для стикового шва без підігріву вона дорівнює 13,1 мм за 0,8 кДж/мм, 16,1 мм за 1,2, 18,0 мм за 1,5 і 23,2 мм за 2,5 кДж/мм. Той самий лист 20 мм буває «товстим» для кореневого проходу й «тонким» для широкого заповнювального — калькулятор вибирає формулу сам і показує, яку застосував.
Типові помилки в розрахунку t8/5
- Енергія дуги замість погонної енергії. У формулу входить Q
з тепловим ККД процесу, а не голе
U·I·60/(v·1000). - Одиниці. Q у кДж/мм; введення в кДж/см (удесятеро більше) дає абсурдно довгі часи.
- T₀ першого проходу для всього шва. Для наступних проходів початкова температура — міжпрохідна, зазвичай вища за підігрів.
- Не той тип з'єднання. Тавр, порахований як стик, завищує час приблизно на третину (приклад 4) — оцінка виходить надто оптимістичною.
- Одне вікно для всіх сталей. 5–25 с стосується нелегованих і низьколегованих сталей; у поліпшуваних сталей діапазон вужчий — з паспорта матеріалу.
Часті питання
Чому саме від 800 до 500 градусів?
У цьому проміжку аустеніт перетворюється на ту структуру, з якою з’єднання житиме далі. Швидко — вийде мартенсит: твердий і схильний до холодних тріщин. Повільно — виросте зерно й упаде ударна в’язкість. Нижче 500 °C перетворення вже завершене, вище 800 °C ще не починалося, тому міряють саме цей відрізок.
Звідки взяти погонну енергію для формули?
З калькулятора погонної енергії: струм, напруга та швидкість дають Q = k · U · I · 60 / (v · 1000). Сюди вводять значення вже з термічним ККД, а не енергію дуги.
Що робити, якщо час вийшов надто коротким?
Важелі два: підігрів і погонна енергія. Підігрів працює сильніше, бо входить у формулу двічі — множником перед дужкою і всередині самих різниць температур. Підняти струм теж можна, але тут швидко впираєшся у верхню межу з технологічної карти.
Яке t8/5 правильне для сталі S355?
Для нелегованих і низьколегованих конструкційних сталей, зокрема S355, робочий діапазон — 5–25 с. Менше 5 с загрожує гартівна структура й холодні тріщини, більше 25 с — крупне зерно й падіння ударної в'язкості. У поліпшуваних сталей (S690, S890) вікно вужче — за паспортом виробника.
Товстий лист охолоджується швидше?
Лише до перехідної товщини. Нижче неї (формула 2D) час падає з квадратом товщини: за 1,2 кДж/мм 10 мм дають 14,7 с, 15 мм — 6,5 с. Вище (формула 3D) товщина вже не впливає: 20 і 30 мм дають ті самі 5,7 с.
Наскільки підігрів подовжує t8/5?
Помітно. Лист 10 мм за 1,2 кДж/мм: 14,7 с без підігріву, 21,1 с за 100 °C, 27,5 с за 150 °C. Лист 20 мм: 5,7 с без підігріву і 7,6 с за 120 °C.
Оновлено: