Anforderungen an die Wärmebehandlung nach dem Schweißen

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) reduziert Restspannungen und verbessert die Zähigkeit sowohl des Grundwerkstoffs als auch des Schweißzusatzwerkstoffs, während gleichzeitig Wasserstoffansammlungen im Schweißbereich abgebaut werden.

Die meisten aktuellen Normen für Rohrleitungen und Druckbehälter schreiben eine Nachwärmebehandlung (PWHT) vor, wenn die Materialdicke einen willkürlich festgelegten Grenzwert überschreitet, der in der Regel sowohl durch die Charpy-Energieaufnahme als auch durch Härteanforderungen bestimmt wird.

Verhinderung von wasserstoffinduzierten Rissen

Korrosion durch Wasserstoffeinlagerung (HIC) tritt auf, wenn während des Schweißens Wasserstoff aus Quellen wie Feuchtigkeit, Verunreinigungen und Schutzgasen in die Schweißbereiche eindringt. Diese Freisetzung von Wasserstoff führt zu einer Versprödung, die Risse im Schweißgut und in der Wärmeeinflusszone (HAZ) verursacht.

Das Wasserstoffausglühen ist ein Verfahren, das beim PWHT-Schweißen zum Einsatz kommt und dazu beiträgt, wasserstoffbedingte Risse in Schweißnähten zu verhindern. Dabei werden die Schweißnähte für eine bestimmte Dauer auf eine genau festgelegte Temperatur erhitzt, bevor dieser Zustand für eine gewisse Zeit beibehalten wird.

Die Temperaturen und Haltezeiten beim Ausglühen hängen von der Werkstoffart und der Schweißtechnik ab; jedoch schreiben mehrere Normen, wie beispielsweise ASME Section VIII Div. 1, vor, dass eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen vorgeschrieben ist, wenn die Wandstärke des Bauteils einen festgelegten Grenzwert überschreitet.

Um sicherzustellen, dass diese Anforderung erfüllt wird, sollten Elektroden mit geringem Wasserstoffgehalt und Vorwärmtemperaturen verwendet werden, die den Mindestanforderungen der Norm entsprechen. Achten Sie außerdem darauf, dass die Drahtspule durch den Einsatz von Zuführvorrichtungen im Kofferformat sicher umschlossen ist, und berühren Sie sie niemals mit schmutzigen Händen, da dadurch während des Schweißens zusätzlicher Wasserstoff eingeleitet werden könnte.

Die Schweißnaht verstärken

Durch die PWHT lassen sich beim Schweißen entstehende Eigenspannungen reduzieren, wodurch Sprödbrüche und Verformungen vermieden werden können, die durch die mechanische Bearbeitung oder Spannungskorrosion entstehen könnten; somit trägt sie dazu bei, Sprödbrüche zu verhindern und Verformungen zu beseitigen, die durch diese Prozesse verursacht werden.

Bei der PWHT werden die Schweißnaht und die Wärmeeinflusszonen auf Temperaturen erhitzt, die zu einer Senkung ihrer unteren kritischen Umwandlungstemperatur führen, wodurch innere Spannungen abgebaut und die mechanischen Eigenschaften verbessert werden.

Eine gleichmäßige und präzise Temperaturregelung ist für eine wirksame Wärmebehandlung nach dem Schweißen von entscheidender Bedeutung. Andernfalls könnte die Schweißnaht durch eine Verringerung ihrer Festigkeit und Härte geschwächt werden; außerdem könnte es dadurch zu ungleichmäßiger Spannungsentlastung oder Verformungen kommen.

Die Arbeit mit großen und sperrigen Druckgeräten kann besondere Herausforderungen mit sich bringen. Alle Komponenten müssen gleichzeitig in einen Ofen gegeben werden, damit sie demselben Temperaturzyklus ausgesetzt sind. Unterschiede in der Wärmeausdehnung könnten zu Problemen führen, die zusätzliche Maßnahmen oder Reparaturen erforderlich machen.

Verhindern von Spannungsrisskorrosion

Die PWHT-Behandlung härtet harte, potenziell spröde Bereiche der Schweißnahtmikrostruktur ab, um die Spitzenrestspannungen zu senken und damit die Wachstumsraten von Ermüdungsrissen zu verringern; dies garantiert jedoch nicht, dass niemals Ermüdungserscheinungen auftreten.

Jedes Metall weist einzigartige Eigenschaften auf, die bestimmen, welche Art und Dauer der Wärmebehandlung nach dem Schweißen erforderlich ist; so erfordern beispielsweise Kohlenstoffstähle eine Spannungsarmglühung, um versteckte, durch Wasserstoff verursachte Risse in hochfesten Rohrleitungen zu vermeiden; Edelstähle hingegen benötigen ein Lösungsglühen, um die sich an ihrer Oberfläche bildenden Chromkarbide aufzulösen und ihre hervorragende Korrosionsbeständigkeit wiederherzustellen.

Die PWHT hängt in hohem Maße von der Ofenart, dem Aufheizzyklus und der Haltezeit als Variablen ab, die die während der PWHT zu entspannenden Restspannungen beeinflussen. Darüber hinaus kann die lokale Wärmezufuhr Auswirkungen auf die Ergebnisse haben: So kann beispielsweise eine lokale Erwärmung thermische Gradienten zwischen erwärmten und nicht erwärmten Bereichen erzeugen, was möglicherweise zu einer Verlagerung der Spannungen zwischen den Bereichen und zu einer Verringerung der Gesamtspannungsentspannung führt. Um diesen Effekt wirksam zu mindern, sollten Schweißnähte so positioniert werden, dass sie beim Aufheizen nicht mit anderen Bauteilen oder angrenzenden Bereichen in Kontakt kommen.

Verzerrungen vermeiden

Temperatur und Abkühlgeschwindigkeit haben einen enormen Einfluss auf die Verformung von Bauteilen. Dies gilt insbesondere dann, wenn diese aus mehreren Abschnitten bestehen, die durch Verbindungsstellen miteinander verbunden sind.

Durch eine sorgfältige Abstimmung der Schweißabläufe lassen sich übermäßige Verformungen vermeiden. Soweit möglich, sollten außerdem Vorrichtungen und Halterungen eingesetzt werden, um ein Verrutschen der Bauteile zu verhindern. Gegebenenfalls kann es auch sinnvoll sein, Heftschweißnähte zu verwenden.

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) kann Verformungen durch die Umverteilung von Restspannungen verringern. Dabei wird das Schweißgut über einen längeren Zeitraum auf eine erhöhte Temperatur erhitzt und anschließend langsam abgekühlt. Die langsame Abkühlung ermöglicht eine gleichmäßige Ausdehnung und verringert die Spannungen im Materialinneren. Einige Fertigungsnormen schreiben die PWHT für Schweißkonstruktionen aus hochkohlenstoffhaltigen Stählen vor, um das Ausmaß der Schweißrestspannungen zu verringern, die in Verbindung mit Betriebsspannungen die Auslegungsgrenzen des Werkstoffs überschreiten und zu Verformungen führen können.