Tepelné zpracování po svařování (PWHT) uhlíkové oceli

Tepelné zpracování po svařování (PWHT) je nedílnou součástí svařovacího procesu a slouží ke zmírnění zbytkových napětí způsobených svařováním a zároveň k popouštění tvrdých nebo potenciálně křehkých mikrostrukturních oblastí.

PWHT lze provádět v pecích poháněných elektřinou, zemním plynem nebo olejem; v tomto článku se však zaměříme na to, jaké teploty je třeba dosáhnout, aby bylo dosaženo optimálních výsledků při PWHT uhlíkové oceli.

Termodynamika

Svařování je jedním z nejrozšířenějších strojírenských výrobních procesů. Po svařování však mohou vznikat zbytková napětí, která vedou k provozním potížím. Ke zmírnění těchto vnitřních pnutí může přispět tepelné zpracování po svařování (PWHT), které zmírňuje zbytková napětí změkčením kalených zón, zlepšením mikrostruktury a chemických vlastností, snížením obsahu vodíku v oblasti svaru a zmírněním zbytkových napětí; nadměrná nebo nevhodná teplota nebo doba udržování však negativně ovlivňují mechanické vlastnosti [1].

Uhlíkové a nízkolegované oceli vyžadují PWHT za účelem snížení zbytkových napětí, kontroly tvrdosti materiálu a zvýšení mechanické pevnosti. Požadavky na teploty PWHT u každého konkrétního materiálu závisí na předpisech pro jeho použití; teploty PWHT pro určité chemické složení nebo rozsahy tloušťky, například pro oceli pro potrubí a tlakové nádoby s obsahem chromu nižším než 1,5%, obvykle vyžadují teploty vyšší než 1050 stupňů C, jak je definováno v předpisech. Například při použití pro potrubí a tlakové nádoby s takovými požadavky, jako je například ocel s obsahem chromu 1,5%, vyžaduje PWHT teploty vyšší než 1050 stupňů C, aby se zvýšila mechanická pevnost, jak je stanoveno v požadavcích předpisů uložených předpisy, které upravují, jak bude PWHT fungovat a účinně plnit tyto cíle.

Obecné konstrukční třídy, jako je BS 5400 pro mosty, BS 5958 pro budovy a EEMUA 158 pro konstrukce na moři, však umožňují podstatně větší tloušťku po svaření spojenou s většími požadavky na Charpyho energii. Tyto rozdíly zřejmě souvisejí s faktory, jako je teplota předehřevu, obsah slitiny a tvorba martenzitu - cílem tohoto článku je pomoci čtenářům lépe pochopit tyto vlivy při určování teploty PWHT pro vaši ocel.

Mikrostruktura

Některé materiály vyžadují tepelné zpracování po svařování (PWHT), aby se dosáhlo požadované pevnosti a tažnosti. PWHT zahrnuje zahřívání svařovaných výrobků mezi 580 a 620 stupni C po dobu 1 hodiny na 25 mm tloušťky, aby se uvolnila veškerá zbytková napětí vzniklá během svařování; to pomáhá zajistit dostatečnou pevnost v tahu, rázovou pevnost podle Charpyho a také snížit riziko lomu.

STEM mikroskopie byla použita ke zkoumání dislokační struktury a změn MX karbonitridů při různých dobách PWHT. Svařený vzorek vykazoval vysokou hustotu silně propletených dislokací v bainitické matrici; v této fázi nebylo možné rozeznat žádné uspořádané struktury, jako jsou dislokační sítě nebo subgrain boundaries. Zvyšováním doby PWHT se hustota dislokací podstatně snížila; začaly být patrné nové uspořádané struktury, jako jsou dislokační sítě nebo subzrnové hranice, stejně jako hrubší karbonitridy MX, které snížily svůj pinningový účinek na dislokace; nakonec vedly k tomu, že subzrnové hranice začaly být opět viditelné.

Při PWHT 8 a 16 h se morfologie svarového kovu zlepšuje s nižší hustotou dislokací; hustota dislokací však zůstává mnohem vyšší než u kalené oceli. Kromě toho se precipitáty na hranicích zrn a podzrn výrazně zhrubly v důsledku Ostwaldova zrání MX karbonitridů, což vedlo ke vzniku větších částic na hranicích zrn/podzrn než v samotných zrnech.

Úleva od stresu

PWHT uhlíkových a uhlíko-manganových ocelí je nezbytným krokem po svařování, aby se minimalizoval křehký lom. Tento proces zahrnuje zahřátí oblasti svaru na vysoké teploty po delší dobu a následné ochlazení. Při vyšších teplotách je rozložení napětí rovnoměrnější, čímž se snižují zbytková napětí, zatímco popouštění změkčuje tvrdé mikrostrukturní oblasti základního materiálu, které by jinak mohly vést k praskání.

Svařováním vznikají v kovech, zejména v silnějších svarech, vysoká zbytková napětí. V kombinaci s namáháním při provozním zatížení mohou tato zbytková napětí vést ke snížení lomové houževnatosti a náchylnosti ke vzniku korozních trhlin (SCC). PWHT slouží ke zmírnění těchto zbytkových napětí a ke zlepšení mechanických vlastností svařovaného spoje.

PWHT vyžaduje vystavení struktur vysokým teplotám po dlouhou dobu, což může být u větších konstrukčních výrobků náročné a nákladné. Pro zajištění správné izolace a ohřevu v oblasti svaru s přesným měřením teploty z digitálního záznamníku/kontroléru.

Nesprávná PWHT může snížit pevnost materiálu. Neúčinná rychlost chlazení během PWHT může navíc způsobit deformace a snížit konečnou pevnost v tahu.

Síla

Jak bylo uvedeno výše, pevnost v tahu a mez kluzu uhlíkové oceli mají tendenci se zvyšující se teplotou klesat; její tažnost (KJc) se však zvyšuje v důsledku popouštění, při němž vznikají větší martenzit-austenitové složky, které zvyšují rázovou houževnatost.

Proto je zásadní, aby podmínky PWHT byly přizpůsobeny nejen vlastnostem dodané oceli, ale také předpokládaným provozním podmínkám svařované součásti. Výrobci oceli proto musí při určování teploty popouštění pro své válcovací výrobky brát tuto skutečnost v úvahu.

Stavební předpisy a normy (např. BS 1113 a ASME VIII ) často stanovují spodní limit pro tloušťku PWHT. Tyto limity jsou stanoveny na základě předpokladu, že pevnost v tahu i mez kluzu zůstávají po PWHT v přijatelných parametrech.

To samozřejmě není vždy možné, a proto musí být každá trubka nebo nádoba určená pro vodíkový provoz tepelně ošetřena po svařování (PWHT). Teplota i doba trvání musí být pečlivě zvoleny tak, aby došlo k požadovaným metalurgickým změnám a zároveň byly splněny všechny příslušné předpisy/normy/smluvní specifikace; je třeba také požádat o odborné poradenství ohledně doby a teplot specifických pro typy uhlíkových ocelí.