Wärmebehandlung nach dem Schweißen

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen, kurz PWHT, reduziert und verteilt die durch das Schweißen entstandenen Eigenspannungen neu und sorgt gleichzeitig dafür, dass in bestimmten Werkstoffen Anlas-, Ausscheidungs- und Alterungsprozesse stattfinden können.

Diese Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung des Werkstoffs tragen dazu bei, Restspannungen zu reduzieren und seine Festigkeit zu erhöhen, wodurch letztlich Spannungen während des Schweißprozesses abgebaut werden, die andernfalls unnötige Belastungen auf die Werkstoffe ausüben würden. Es ist unerlässlich, die Nachwärmbehandlung (PWHT) entsprechend den Schweißverfahren und der Festigkeit der Werkstoffe korrekt durchzuführen, um während dieses Prozesses Spannungen abzubauen.

Abbau von Restspannungen

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (Post Weld Heat Treatment, PWHT) trägt dazu bei, durch das Schweißen verursachte Eigenspannungen abzubauen, indem das Werkstück für eine angemessene Dauer (in der Regel 1 Stunde pro Zoll Dicke) auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird.

Restspannungen können in Kombination mit Betriebsspannungen die Auslegungsgrenzen eines Werkstoffs überschreiten und dessen Anfälligkeit für Sprödbruch erhöhen. Um dies zu verhindern, wird häufig eine Nachwärmbehandlung (PWHT) durchgeführt, bevor geschweißte Bauteile einer Ermüdungsbeanspruchung ausgesetzt werden.

Studien, in denen das Ermüdungsrissausbreitungsverhalten von Ti-6Al-4V-Proben, die mittels linearem Reibschweißen geschweißt wurden, mit und ohne PWHT verglichen wurde, haben gezeigt, dass Scheranteile der inneren Restspannung, insbesondere innerhalb der Schweißnaht-Mittelzone (WCZ), dazu beitragen, dass Ermüdungsrisse von den gewünschten Verläufen abweichen; bei einer Nachwärmebehandlung (PWHT) bei 750 °C werden diese Spannungskomponenten jedoch deutlich verringert, was zu einer besseren Spannungsrelaxation führt.

Reduzierung von Spannungsrisskorrosion (SCC)

SCC unterscheidet sich von herkömmlicher Korrosion dadurch, dass es die Mikrostruktur des Metalls angreift, anstatt lediglich Material abzutragen, und dabei feine Risse hinterlässt, die sich rasch ausbreiten und zu einem katastrophalen Versagen führen. Die Rissbildung wird häufig durch Zugspannungen in Verbindung mit der Einwirkung stark korrosiver Umgebungen wie H₂S oder Chloriden verursacht.

Fertigungsverfahren wie Schweißen, Kaltumformung und Walzprofilierung können Materialien inneren Zugspannungen aussetzen, die nahe an ihre Streckgrenze heranreichen, was in einer aggressiven korrosiven Umgebung zur Entstehung von Spannungskorrosionsrissen (SCC) führen kann. pwht kann dazu beitragen, SCC zu mindern, indem es Stellen mit hoher innerer Spannungskonzentration – wie scharfe Ecken oder Kerben, die als Rissausgangsstellen wirken – entlastet und diese inneren Spannungen abbaut.

SCC lässt sich auch durch eine sorgfältige Konstruktion verringern, die eine gleichmäßige Lastverteilung begünstigt, um Spannungsherde zu beseitigen und Schwankungen der Lastbedingungen zu minimieren – beides Faktoren, die dazu beitragen, die Entstehung spannungsbedingter Risse zu begrenzen.

Verbesserung der mechanischen Eigenschaften

Abgesehen vom Abbau und der Umverteilung von Restspannungen kann eine ordnungsgemäße Nachwärmebehandlung auch die mechanischen Eigenschaften wie Duktilität und Zähigkeit erheblich verbessern. Dies ist vor allem auf Anlasseffekte, Ausscheidungs- oder Alterungseffekte zurückzuführen, die die Härte des Werkstoffs verringern, wodurch die Duktilität erhöht und die Rissbeständigkeit verbessert wird.

Die PWHT-Technologie kann dazu beitragen, die Bruchzähigkeit zu verringern, indem sie die Bildung von nadelförmigem Martensit anstelle von Ferrit an den Korngrenzen fördert und dadurch die Plastizität im Schweißgut deutlich reduziert sowie die Ermüdungsfestigkeit von Bauteilen erhöht.

Durch die Befolgung von Best-Practice-Verfahren, die auf dem Werkstoff und der Festigkeit der zu schweißenden Werkstoffe basieren, lassen sich PWHT-Verfahren so anpassen, dass eine maximale Spannungsentlastung erreicht wird. Dazu gehören die Auswahl eines wirksamen Wärmebehandlungsverfahrens mit geeigneten Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten sowie der Einsatz geeigneter Anlagen und Ausrüstung, die Temperaturüberwachung, die Einhaltung einer akzeptablen Schweißtemperatur während des Schweißprozesses sowie die Einführung von Qualitätskontrollmaßnahmen zur Einhaltung der Qualitätsstandards.

Erhöhte Haltbarkeit

Ganz gleich, um welches Projekt es sich handelt – Druckbehälter, Rohrleitungen oder Komponenten für die Luft- und Raumfahrt – PWHT ist ein bewährtes Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer von Schweißverbindungen durch den Abbau von Eigenspannungen und die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. In korrosiven Umgebungen verringert es zudem das Risiko von Spannungsrisskorrosion, indem es Eigenspannungen abbaut und anschließend neu verteilt, wodurch transgranulare Rissbildung verhindert wird. Bei ordnungsgemäßer Durchführung werden zudem Restspannungen abgebaut, um das Auftreten von Spannungsrisskorrosion zu verhindern, wodurch diese letztendlich seltener auftritt.

Durch die PWHT können Temperierungs-, Ausscheidungs- oder Alterungseffekte eintreten, die die Härte verringern und gleichzeitig die Duktilität und Bruchfestigkeit der geschweißten Werkstoffe erhöhen können. Fraktografische Untersuchungen an NiTi-Drähten zeigen, dass die Wärmebehandlung zu glatteren Bruchflächen führt als bei geschweißten Drähten – ohne Flussmuster.

Beachten Sie, dass eine unsachgemäße Wärmebehandlung die Zugfestigkeit, die Kriechfestigkeit und die Kerbschlagzähigkeit von Schweißnähten erheblich verringern sowie deren Anfälligkeit für Wasserstoffrisse erhöhen kann. Daher darf die Nachwärmebehandlung (PWHT) ausschließlich gemäß einem festgelegten Verfahren mit definierten Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten, Temperaturbereichen und Dauer durchgeführt werden.