Varmebehandling efter svejsning

Varmebehandling efter svejsning (PWHT) er en proces, der er designet til at aflaste og omfordele eventuelle restspændinger, der er opstået under svejsningen, og samtidig skabe metallurgiske ændringer, der øger styrken, duktiliteten og sejheden.

PWHT kan være påkrævet af branchekoder for nogle metaller, der bruges i trykbærende udstyr, men nødvendigheden skal vurderes nøje i forhold til omkostningerne og de potentielle negative virkninger på et materiales egenskaber.

Restspændinger

Restspændinger kan opstå under svejsning på grund af temperaturgradienter mellem svejsemateriale og grundmateriale og kan nå kritiske niveauer, der fører til revnedannelse eller spændingskorrosion i komponenter med tykke vægge. De fleste regler for trykbeholdere og rørledninger foreskriver varmebehandling efter svejsning (PWHT), hvis svejsningerne overskrider visse grænseværdier for flydespænding for at begrænse potentielle sprøde brud.

PWHT er en proces, der er designet til at eliminere eller omfordele restspændinger og fremme anløbning, udfældning og ældningseffekter i svejsemetal, hvilket i sidste ende øger sejhed, duktilitet og modstandsdygtighed over for spændingskorrosion. En effektiv PWHT-proces kræver dog en øget forståelse af dens mekanismer.

For at opnå dette anvendes finite element-analyse (FEA) til at simulere spændingsfelter i både elastiske og elastisk-viskoplastiske analysemodeller for svejsninger med forskellige vægtykkelser. Der anvendes også en omfattende krybemodellering for at forstå, hvordan plastisk tøjning og tilbagespænding bidrager til restspændingsaflastning.

Resultaterne viser, at PWHT kan give en tilfredsstillende reduktion af restspændinger og forbedring af materialeegenskaber på tværs af en lang række svejsematerialer, hvor den endelige trækstyrke når tæt på designværdien efter behandlingen. Yderligere undersøgelser bør fokusere på at skabe et passende forhold mellem tid, temperatur og tykkelse for tykkere svejsninger, der gennemgår PWHT, for at minimere risici i forbindelse med sprødbrud og forbedre den overordnede pålidelighed af deres svejsninger.

Hårdhed

Metallers hårdhed er en indikator for deres mikrostruktur og kan have stor indflydelse på, om svejseprocesser eller tilsatsmaterialer er egnede til bestemte anvendelser. Mens overdrevent hårde mikrostrukturer har tendens til at være mindre duktile og hårde end blødere metaller, kan varmebehandling nogle gange være nødvendig for at forbedre de mekaniske egenskaber eller mindske risikoen for revnedannelse.

PWHT (Process Warm Heat Treatment) er en form for varmebehandling, der bruges til at eliminere restspændinger og forbedre svejsningens styrke, duktilitet og sejhed. PWHT kan også hjælpe med at forhindre revnedannelse på grund af termisk cykling eller spændingskorrosion; behovet afhænger af metaltype/tykkelse/dimension samt svejseparametre/servicekrav.

Reglerne foreskriver ofte, at svejsematerialer eller svejsninger over en vis tykkelse kræver varmebehandling efter svejsning for at blive beskyttet. Det skyldes, at visse metaller er mere sårbare over for spændingskorrosion eller har større risiko for svejsesvigt end andre, mens forskellige svejseprocesser giver hårdere aflejringer end andre.

Robusthed

Svejsning kan frembringe restspændinger, som kombineret med belastningsspændinger kompromitterer materialets sejhed. En kontrolleret opvarmnings- og afkølingsproces, kendt som PWHT, kan hjælpe med at forbedre de mekaniske egenskaber, afhjælpe restspændinger og øge styrken og hårdheden af svejsninger; nødvendigheden af PWHT afhænger af flere faktorer, herunder svejseparametre og servicekrav; brudmekanisk analyse ved hjælp af antagne spændingsniveauer og fejlstørrelser kan hjælpe med at identificere, om PWHT er påkrævet.

Der blev udviklet en nem model til at beregne den mindste nødvendige sejhed for specifikke materialer og sektionstykkelser. Kravene til brudsejhed (K mat) blev derefter estimeret for to forskellige sandsynligheder for brud, P f = 0,05 og P f = 0,5 ved hjælp af Annex J i BS 7910’s Master Curve-korrelation mellem brudsejhed og Charpy-energi.

Som det fremgår af figurerne nedenfor, viser resultaterne af vores analyse, at selv et relativt lille fald i PWHT-temperaturen kan sænke de estimerede minimumskrav til K mat betydeligt. Dette skyldes sandsynligvis PWHT's effekt af at reducere revnespidsens begrænsning og forbedre revneforlængelsen ved duktil afrivning; desuden viser resultaterne, at PWHT også dramatisk kan forbedre lasersvejsede prøvers slagsejhed ved at genskabe deres oprindelige sprøde brudtilstand med flodmønstre observeret med ubehandlede prøver.

Duktilitet

Duktilitet henviser til et materiales evne til plastisk deformation, før det revner under belastning, i modsætning til elastisk deformation, som vender, når belastningen aftager. Duktilitet er en vigtig faktor, når man designer komponenter, da den viser, hvor meget belastning en komponent kan modstå, før den svigter; større duktilitet indikerer større chancer for, at den deformeres under ekstreme belastninger.

Materialers duktilitet afhænger i høj grad af deres kemiske sammensætning, krystalstruktur og testtemperatur. Metaller har tendens til at udvise større duktilitet, da deres metalliske bindinger gør det muligt at dele valensskalens elektroner mellem flere atomer og dermed gøre det muligt for metalatomer at bevæge sig let forbi hinanden, mens de stadig absorberer kræfter, der ville få andre materialer til at splintre.

Selvom det er tæt forbundet med formbarhed, er duktilitet og formbarhed stadig forskellige egenskaber. Duktilitet henviser til et metals evne til at modstå strækkræfter, mens formbarhed henviser til, hvor godt det håndterer trykspændinger forårsaget af hamring eller presning. Begge egenskaber skal tages i betragtning, når man vælger materialer til specifikke anvendelser; materialer med høj duktilitet som guld kan kun strækkes, indtil der opstår brud, mens materialer med lavere duktilitet som kobber kun kan strækkes til meget små tykkelser, før de knækker under belastning.