Tepelné zpracování po svařování

Svařování může vést ke vzniku vysokých úrovní zbytkového napětí, které v kombinaci s napětím způsobeným zatížením překračují mez kluzu materiálu a vedou k jeho další deformaci. Aby se tyto úrovně napětí minimalizovaly a omezily negativní dopady tepelného zpracování po svařování, je nutné toto tepelné zpracování provést jako součást procesu tepelného zpracování po svařování.

Průmyslové normy a specifikace obvykle předepisují provedení tepelného ošetření po svařování (PWHT) u určitých materiálů, pokud to vyžadují provozní podmínky; tento postup je běžný zejména v ropném a plynárenském, petrochemickém a jaderném odvětví.

Snížení zbytkových napětí

Zbytková napětí vzniklá při svařování mohou výrazně oslabit zařízení a zvýšit tak jeho náchylnost ke koroznímu praskání pod napětím. Proces PWHT tato napětí snižuje, čímž pomáhá předcházet takovému poškození; toho se dosahuje tím, že se všechny konstrukce po delší dobu zahřívají na teplotu nižší než kritická teplota fázové přeměny, přičemž se vše účinně zahřívá jako jeden celek.

Proces Pwht nelze srovnávat s normalizačními nebo žíhacími procesy, které se používají ke zlepšení mechanických vlastností změnou mikrostrukturálních charakteristik; podobně jako tyto tepelné úpravy však pomáhá snižovat a přerozdělovat zbytková napětí vzniklá během svařovacích procesů.

Obecně platí, že vyšší špičková teplota a delší doba výdrže vedou k většímu snížení zbytkových napětí. Je však důležité mít na paměti, že příliš vysoké špičkové teploty mohou způsobit deformaci součástí; pro zachování jejich tvaru během procesu PWHT je vhodné umístit uvnitř nádoby v pravidelných intervalech opěrné podpěry.

V této studii jsme zkoumali vliv příkonu diod na odstraňování zbytkových napětí v laserem svařovaných mostech z nerezové oceli 316L s využitím příkonu z diod. Naše výsledky prokázaly, že proces tepelného zpracování plazmou s vodou prováděný in situ významně snížil zbytkové napětí ve srovnání s kontrolními můstky; zdálo se, že tento efekt úzce souvisí spíše s dosaženou špičkovou teplotou než s dobou setrvání při této teplotě, jak by se dalo očekávat na základě mechanismů odstraňování napětí, jako je anihilace dislokací a tečení.

Zvýšená houževnatost

Při vysokých teplotách svařování mění mikrostrukturu oceli tím, že zvyšuje její tvrdost a zároveň snižuje houževnatost a tažnost; to může způsobit problémy při použití v aplikacích s vysokým cyklickým namáháním, jako jsou tlakové nádoby a potrubí. PWHT může pomoci tyto problémy zmírnit snížením tvrdosti svarů a současným navrácením houževnatosti a tažnosti na hodnoty blíže konstrukčním specifikacím; navíc homogenizuje mikrostrukturu, čímž snižuje koncentrace napětí a zabraňuje vzniku trhlin ve svarech.

Jedním z běžných přístupů k posouzení, zda svary vyžadují tepelné ošetření po svařování (PWHT), je provedení analýzy lomové mechaniky. Ta zahrnuje stanovení vztahů mezi úrovněmi aplikovaného a zbytkového napětí, velikostmi vad, které by mohly při kontrole uniknout detekci, vlastnostmi materiálu (lomovou houževnatostí a mezí kluzu) a úrovněmi napětí za účelem výpočtu minimálních požadovaných úrovní houževnatosti, které zabrání poruše při zatížení.

Tento přístup se však někdy může ukázat jako neúčinný; výsledky mohou do značné míry záviset na konkrétních podmínkách, za nichž ke svařování dochází. Pro dosažení přesných a reprodukovatelných výsledků je proto nezbytné použít přesně definovanou geometrii svaru s vhodným přídavným materiálem, aby bylo možné vytvořit přesné svary.

PWHT vyžaduje, aby byly svary během procesů ohřevu a ochlazování náležitě podepřeny, a to za účelem minimalizace deformací; toho lze dosáhnout pomocí podpěrných stojanů, které jsou tvarově přizpůsobeny konkrétním součástem a rozmístěny v pravidelných intervalech po celé jejich délce. Aby byla během těchto procesů zajištěna správná podpora, je nutné použít podpěry z materiálu s podobným koeficientem tepelné roztažnosti, aby se během těchto cyklů zahřívání a ochlazování neposunuly.

Zvýšená tažnost

Tepelné zpracování po svařování (PWHT) je nezbytný proces, který snižuje zbytkové napětí a mění mikrostrukturu svarového kovu s cílem zvýšit houževnatost, tažnost a odolnost vůči dynamickému namáhání. Je-li však provedeno nesprávně, může PWHT úroveň zbytkového napětí ještě zvýšit a zároveň snížit mechanické vlastnosti ošetřované konstrukce.

Procesy PWHT mohou tyto negativní dopady minimalizovat tím, že zajistí, aby byly materiály zahřívány na ideální teploty po odpovídající dobu a následně rychle ochlazeny, čímž se eliminují nadměrné teplotní gradienty, které zvyšují riziko korozního praskání pod napětím v oxidačním prostředí.

Mezi odborníky se vede živá diskuse o tom, zda by v budoucnu bylo možné bezpečně vyrábět velké objemy biomasy jako palivo pro elektromobily. Zda jsou tato tvrzení opodstatněná, zatím není s jistotou známo. Ačkoli se většina výzkumu týkajícího se dodatečného tepelného zpracování (PWHT) svarů z vysokopevnostní oceli (HSS) zaměřovala na plné dráty, stále existuje jen málo poznatků o vlivu různých teplot a dob výdrže při PWHT na svary vytvořené dráty s kovovým jádrem. Cílem této studie bylo prozkoumat, jak PWHT při různých teplotách a dobách výdrže ovlivňuje mikrostrukturu a mechanické vlastnosti svarů vytvořených pomocí svařovacích elektrod s kovovým jádrem z NiTi. K dosažení tohoto cíle byla provedena analýza pomocí skenovacího elektronového mikroskopu (SEM) na vzorcích svarů vystavených různým teplotám PWHT po různou dobu, přičemž u těchto vzorků byla použita analýza podílu karbidové oblasti k posouzení případných změn mikrostruktury nebo tvrdosti způsobených těmito proměnlivými dobami PWHT.

Snížená křehká lomivost

PWHT (tepelné ošetření po svařování tlakovým mytím) zajišťuje, že spoje svařovaných konstrukcí, jako jsou potrubí a tlakové nádoby, vydrží vysoké tlaky a korozivní prostředí, a pomáhá snížit riziko křehkého lomu. Proto se PWHT stala standardní praxí v ropném a plynárenském průmyslu a součástí regulačních norem pro jaderné elektrárny; navíc chrání jaderné reaktory před tepelnou únavou tím, že svářené spoje chrání pomocí tepelného ošetření PWHT.

K posouzení, zda oceli C-Mn a nízkolegované oceli vydrží křehké lomění i bez následného tepelného zpracování (PWHT), byl použit program Crackwise 3. Provedlo se několik výpočtů založených na poloeliptických povrchových lomových vadách, přičemž požadovaná lomová houževnatost materiálu byla vypočítána pomocí její maximální hodnoty v poměru k tloušťce (K mat). Master Curve koreluje s odolností čel trhlin proti plastickému kolapsu; proto by silnější součásti pravděpodobně vyžadovaly vyšší hodnoty houževnatosti, jelikož by existovala větší pravděpodobnost výskytu oblastí vzorku se sníženými hodnotami houževnatosti během zahájení plastického kolapsu.

Výpočty ukázaly, že použití tepelného zpracování po svařování (PWHT) ke snížení křehkého lomu u součástí z C-Mn a nízkolegovaných ocelí může výrazně snížit míru křehkého lomu díky nižším úrovním zbytkového napětí, zlepšené mikrostruktuře a změkčení potenciálně křehkých oblastí. K tomuto snížení může dojít i u velmi silných součástí díky nižším úrovním zbytkového napětí a vylepšené mikrostruktuře, spolu s temperováním tvrdých, potenciálně křehkých oblastí.