Wärmebehandlung nach dem Schweißen

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (Post Weld Heat Treatment, PWHT) ist ein Industriestandardverfahren zur Wärmebehandlung von Metallteilen und Schweißstücken bei Temperaturen unterhalb ihrer unteren kritischen Umwandlungstemperatur, in der Regel vor dem Schweißen oder vor metallurgischen Anwendungen wie Druckbehältern und Rohrleitungen.

Die lokale PWHT ist ein Ansatz zur Minimierung der Verformung außerhalb der Ebene. Diese Methode wurde mit Hilfe der Finite-Elemente-Analyse untersucht, und die lokalen Spannungsverteilungen wurden mit denen der PWHT im Ofen verglichen.

Schweißnahtfestigkeit

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (Post Weld Heat Treatment, PWHT) ist ein wichtiger Schritt nach dem Schweißen, bei dem das Metall auf eine Temperatur unterhalb der kritischen Umwandlungstemperatur erhitzt und für eine bestimmte Zeit auf dieser Temperatur gehalten wird. Dadurch werden Eigenspannungen in der Schweißzone abgebaut, die Zähigkeit erhöht und Sprödbrüche in den Schweißnähten verhindert. Sie sollte so bald wie möglich nach Abschluss der Schweißarbeiten erfolgen - ihre Bedeutung sollte nicht außer Acht gelassen werden!

Die Druckwasserhärtung ist erforderlich, da beim Schweißen hohe Temperaturunterschiede zwischen dem Grundwerkstoff und dem Schweißgut auftreten, die zu Spannungen im Schweißgut führen, die die zulässigen Spannungsgrenzen überschreiten. Die PWHT kann diese Spannungen deutlich verringern und so die Festigkeit und Haltbarkeit geschweißter Strukturen verbessern.

Um einen stabilen Temperaturzyklus zu gewährleisten, müssen die zu beschwerenden Strukturen oder Bauteile angemessen unterstützt werden. Böcke, die in regelmäßigen Abständen an die Konturen des Objekts angepasst sind, tragen dazu bei, Verformungen zu minimieren. Dies ist besonders wichtig bei langen oder ungünstig geformten Bauteilen, da Unterschiede in der Wärmeausdehnung zwischen den Abschnitten dazu führen können, dass sich das Material mit der Zeit verbiegt oder verformt.

Moderne PWHT-Öfen sind flexibel und vielseitig einsetzbar und eignen sich für viele verschiedene Verfahren wie Glühen, Altern, Normalisieren, Spannungsarmglühen und Anlassen. Ihre doppelwandige Konstruktion begrenzt den Wärmeverlust und spart gleichzeitig Energie. Präzise Regelsysteme folgen den vorgeschriebenen Heiz-/Kühlprofilen, die von den Schweißvorschriften vorgeschrieben werden, wobei Thermoelemente sowohl die Ofentemperatur als auch die Temperatur der Schweißteile messen, um präzise Ergebnisse zu erzielen.

Schweißeigenspannung

Eigenspannungen spielen eine wesentliche Rolle bei der Leistung von Schweißpunkten. Druckeigenspannungen schieben die Werkstoffe zusammen, während Zugeigenspannungen sie auseinanderziehen. Durch die Kompression werden im Allgemeinen die Ermüdungsfestigkeit und die Ermüdungslebensdauer erhöht, während die Rissausbreitung verlangsamt und die Widerstandsfähigkeit gegen umweltbedingte Risse wie wasserstoffinduzierte Risse oder Spannungsrisskorrosion erhöht wird.

Zugeigenspannungen verringern die Ermüdungslebensdauer, erhöhen das Risspotenzial und die Sprödbruchanfälligkeit von geschweißten Strukturen. Die genaue Art und das Ausmaß der Eigenspannungen hängen von verschiedenen Faktoren ab, wie z. B. der Geometrie der Struktur, den Herstellungsverfahren, den Schweißverfahren, den nach dem Schweißen durchgeführten Behandlungen, den Betriebsbedingungen usw.

Die Vorhersage und Abschwächung von Stressoren ist aufgrund der komplexen nichtlinearen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Variablen keine einfache Aufgabe. Darüber hinaus weisen Eigenspannungsmessungen und analytische Vorhersagen oft eine erhebliche Streuung und Variabilität auf, was auf viele verschiedene Gründe zurückzuführen ist, darunter Unsicherheiten bei den Messorten/verwendeten Materialien sowie Fehler in den Messdaten oder falsche Annahmen bei der analytischen Modellierung.

Für eine genaue Eigenspannungsvorhersage und -minderung ist es notwendig, die grundlegenden Prozesse, die ihre Entwicklung in geschweißten Strukturen bestimmen, genau zu kennen. Zu diesem Zweck enthält diese Sonderausgabe 13 Original-Forschungsartikel, die sich mit mathematischen Modellen, experimentellen Techniken und Messmethoden befassen, die speziell für die Erkennung und Minderung von schweißbedingten Eigenspannungen für verschiedene Verbindungsgeometrien und Schweißbedingungen entwickelt wurden.

Schweißen Rissbildung

Die Druckwasserhärtung kann bei vielen Projekten, von Rohrleitungsspulen und Druckbehältern bis hin zu Speicherkugeln, in speziell errichteten Öfen vor Ort durchgeführt werden. Bei größeren und/oder schwereren Strukturen wie z. B. Behältern können Ingenieurbüros jedoch speziell auf die Bedürfnisse ihrer Kunden zugeschnittene Öfen entwickeln.

Die PWHT ist aufgrund von Eigenspannungen erforderlich, die beim Schweißen dicker Materialien entstehen. In Kombination mit Lastspannungen können diese Eigenspannungen die Materialgrenzen überschreiten und zum Versagen der Schweißnaht führen. Die Druckwasserhärtung trägt zum Abbau dieser Eigenspannungen bei. Allerdings treten dabei mikrostrukturelle Veränderungen auf, die die Zähigkeit und Duktilität des Werkstoffs verringern.

Insbesondere niedriglegierte und hochgekohlte Stähle sind anfälliger für Kaltrisse, da sie spröder sind und beim Abkühlen aus dem Schweißnahtbereich an Zugfestigkeit verlieren.

Die Schweißvorschriften verlangen einen gleichmäßigen Übergang von Schweißgut zu Grundwerkstoff an der Schweißnaht, um die Bildung von Spannungserhöhungen zu vermeiden, die zu Rissen führen. Um dieses Ziel zu erreichen, können geeignete Fahrgeschwindigkeiten und Spannungseinstellungen sowie speziell auf das Bauteil zugeschnittene Schweißböcke helfen, übermäßigen Verzug zu vermeiden; eine regelmäßige Platzierung sollte eine gleichmäßige Schweißnaht gewährleisten.

Schweißerbruch

Da beim Metallschweißen ungleichmäßige Erwärmungs- und Abkühlungszyklen auftreten, die zum Aufbau von inneren Kräften, den so genannten Eigenspannungen, im Material führen, kann dies zu Verformungen und verminderten mechanischen Eigenschaften führen, die Schweißfehler und ein größeres Risspotenzial zur Folge haben - was eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen zum Spannungsabbau erforderlich macht, um die Festigkeit und Leistung geschweißter Bauteile zu schützen.

Ein PWHT-Ofen wird verwendet, um Eigenspannungen durch wiederholte Erwärmungs- und Abkühlungszyklen zu reduzieren und umzuverteilen, wodurch ein Anlassen eingeleitet wird, das die Duktilität des Materials und seine Widerstandsfähigkeit gegen Sprödbrüche verbessert. Eine solche Wärmebehandlung ist in vielen Vorschriften und Normen vorgeschrieben, um die Sicherheit von geschweißten Strukturen zu gewährleisten.

Die Wärmebehandlung von Bauteilen kann in einem fest installierten, einem tragbaren oder einem vor Ort aufgestellten Ofen erfolgen. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, müssen diese Öfen so positioniert werden, dass Bereiche vermieden werden, in denen übermäßige Temperaturgradienten oder -unterschiede auftreten können; andernfalls würden diese Bereiche dazu führen, dass das Bauteil seine Phasenumwandlungstemperatur überschreitet, was zu unerwarteten Volumen- und Phasenänderungen führen würde.

Beim PWHT werden Teile einer geschweißten Struktur auf hohe Temperaturen erwärmt und über einen längeren Zeitraum auf dieser Temperatur gehalten. Eine Standardrichtlinie schlägt vor, eine Stunde pro 25 mm Dicke vorzusehen; eine lokale PWHT ist ebenfalls möglich, wobei jedoch bestimmte Einschränkungen zu beachten sind.