Tepelné zpracování po svařování

Tepelné zpracování po svařování (PWHT) je proces určený k uvolnění a redistribuci zbytkových napětí vzniklých při svařování a zároveň k metalurgickým změnám, které zvyšují pevnost, tažnost a houževnatost.

PWHT může být u některých kovů používaných v tlakových zařízeních předepsána průmyslovými předpisy; její nezbytnost je však třeba pečlivě posoudit v porovnání s náklady a možnými nepříznivými účinky na vlastnosti materiálu.

Zbytková napětí

Zbytková napětí mohou vznikat během svařování v důsledku teplotních gradientů mezi svarovým materiálem a základním materiálem a mohou dosáhnout kritické úrovně, což může vést k praskání nebo koroznímu praskání součástí s tlustými stěnami. Většina předpisů pro tlakové nádoby a potrubí stanoví tepelné zpracování po svařování (PWHT), pokud svařované díly překročí určité konstrukční meze kluzu, aby se omezil možný křehký lom.

PWHT je proces určený k odstranění nebo redistribuci zbytkových napětí a k podpoře popouštění, srážení a stárnutí ve svarovém kovu, což v konečném důsledku zvyšuje houževnatost, tažnost a odolnost proti koroznímu praskání. Pro účinný proces PWHT je však třeba lépe porozumět jeho mechanismům.

Za tímto účelem se používá analýza konečných prvků (MKP) k simulaci napěťových polí v modelech pružné a pružně-plastické analýzy pro svařence s různou tloušťkou stěny. Rovněž je použit komplexní přístup k modelování tečení, aby bylo možné pochopit, jak plastická deformace a zpětné napětí přispívají k odlehčení zbytkových napětí.

Výsledky ukazují, že PWHT může vést k uspokojivému snížení zbytkového napětí a zlepšení vlastností materiálu v širokém rozsahu materiálů svařenců, přičemž konečná pevnost v tahu se po ošetření blíží konstrukční hodnotě. Další výzkum by se měl zaměřit na vytvoření vhodného vztahu mezi časem, teplotou a tloušťkou pro silnější svařence podrobené PWHT, aby se minimalizovala rizika spojená s křehkým lomem a zvýšila celková spolehlivost jejich svařenců.

Tvrdost

Tvrdost kovů je ukazatelem jejich mikrostruktury a může mít zásadní vliv na to, zda jsou svařovací postupy nebo přídavné kovy vhodné pro určité aplikace. Nadměrně tvrdé mikrostruktury mají tendenci být méně tvárné a houževnaté než měkčí kovy, proto může být někdy nutné tepelné zpracování, aby se zlepšily mechanické vlastnosti nebo snížila náchylnost k praskání.

PWHT (Process Warm Heat Treatment) je forma tepelného zpracování používaná k odstranění zbytkových napětí a zvýšení pevnosti, tažnosti a houževnatosti svaru. PWHT může také pomoci zabránit vzniku trhlin způsobených tepelným cyklováním nebo korozním praskáním; jejich potřeba závisí na typu kovu/tloušťce/rozměru a také na parametrech svařování/požadavcích na obsluhu.

Předpisy často stanoví, že svařované materiály nebo svařence nad určitou tloušťku vyžadují z důvodu ochrany po svařování tepelné zpracování. Důvodem je skutečnost, že některé kovy jsou náchylnější ke koroznímu praskání pod napětím nebo mají vyšší riziko selhání svaru než jiné, zatímco různé svařovací procesy vytvářejí tvrdší usazeniny než jiné.

Houževnatost

Při svařování mohou vznikat zbytková napětí, která v kombinaci se zatěžovacími napětími ohrožují houževnatost materiálu. Řízený proces ohřevu a chlazení známý jako PWHT může pomoci zlepšit mechanické vlastnosti, zmírnit zbytková napětí a zvýšit pevnost a tvrdost svarových spojů; jeho nezbytnost závisí na několika faktorech, včetně parametrů svařování a požadavků na provoz; analýza lomové mechaniky s použitím předpokládaných úrovní napětí a velikosti vad může pomoci určit, zda je PWHT nutná.

Pro výpočet minimální požadované houževnatosti pro konkrétní materiály a tloušťku průřezu byl navržen jednoduchý model. Požadavky na lomovou houževnatost (K mat) pak byly odhadnuty pro dvě různé pravděpodobnosti selhání, P f = 0,05 a P f = 0,5, s použitím korelace mezi lomovou houževnatostí a Charpyho energií podle přílohy J normy BS 7910.

Jak ukazují níže uvedené obrázky, výsledky naší analýzy ukazují, že i relativně malé snížení teploty PWHT může výrazně snížit odhadované minimální požadavky na K mat. To je pravděpodobně způsobeno účinkem PWHT, který snižuje omezení hrotu trhliny a zlepšuje prodloužení trhliny tvárným trháním; výsledky navíc ukazují, že PWHT může také výrazně zlepšit rázovou houževnatost laserem svařovaných vzorků tím, že obnoví jejich původní křehký lomový režim s říčními vzorci pozorovanými u neošetřených vzorků.

Tažnost

Pod pojmem tvárnost se rozumí schopnost materiálu plasticky se deformovat před vznikem trhlin při namáhání, na rozdíl od pružné deformace, která se po uvolnění napětí změní v deformaci zpětnou. Duktilita je nedílným faktorem při navrhování součástí, protože ukazuje, jak velkou deformaci může součást vydržet, než selže; větší duktilita znamená větší pravděpodobnost její deformace při extrémním zatížení.

Tažnost materiálů do značné míry závisí na jejich chemickém složení, krystalové struktuře a teplotě zkoušení. Kovy mají tendenci vykazovat větší tažnost, protože jejich kovové vazby umožňují sdílení elektronů valenční slupky mezi více atomy, a tím umožňují atomům kovu snadno se pohybovat kolem sebe a zároveň absorbovat síly, které by u jiných materiálů způsobily roztříštění.

Ačkoli jsou tvárnost a kujnost úzce spojeny, zůstávají odlišnými vlastnostmi. Tažnost se vztahuje ke schopnosti kovu odolávat tahovým roztahovacím silám, zatímco kujnost se vztahuje k tomu, jak dobře zvládá tlakové namáhání způsobené kladivem nebo lisováním. Obě vlastnosti je třeba brát v úvahu při výběru materiálů pro konkrétní aplikace; materiály s vysokou tažností, jako je zlato, lze natahovat jen do té doby, než dojde k jejich zlomení, zatímco materiály s nižší tažností, jako je měď, se mohou natahovat jen do velmi malé tloušťky, než se pod tlakem zlomí.