Wärmebehandlung nach dem Schweißen für Kohlenstoffstahl

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (Post Weld Heat Treatment, PWHT) trägt zur Entspannung und Umverteilung von Eigenspannungen bei, die während des Schweißvorgangs entstanden sind, und wird häufig von den Vorschriften für Materialien gefordert, die eine bestimmte Dicke überschreiten.

Die Erwärmungs- und Abkühlungsraten müssen sorgfältig gesteuert werden, um Temperaturschocks, Verformungen oder ungleichmäßigen Spannungsabbau zu vermeiden. Die PWHT kann entweder mit einem Ofen oder mit lokalisierten elektrischen Widerstandsmatten oder -pads durchgeführt werden.

Glühen

Die PWHT senkt das Niveau der Zugeigenspannungen in den Schweißbereichen erheblich, beseitigt sie aber nicht vollständig. Die meisten Ermüdungszyklen führen immer noch zu vollständigen Zugspannungen, die äußerst schädlich sein können.

Beim Vollglühen werden untereutektoide und eutektoide Phasen auf Temperaturen von etwa 50 °C über ihren jeweiligen Ac3- und Ac1-Temperaturen erwärmt und dann allmählich abgekühlt, bis sie nahezu eine Gleichgewichtsstruktur erreicht haben. Dieses Verfahren trägt dazu bei, Wasserstoffversprödung zu vermeiden und gleichzeitig das Risiko der umweltbedingten Rissbildung zu verringern.

Eine punktuelle PWHT an kleinen Bauteilen ist möglich, muss aber sorgfältig durchgeführt werden. Werden die Bänder für das Eintauchen, Erhitzen und die Gradientensteuerung nicht richtig dimensioniert und platziert, kann dies zu Verformungen oder zum Zusammenbruch von Bauteilen oder zu einem katastrophalen Versagen aufgrund von Instabilitäten im Eigenspannungszustand führen. Um die Temperaturen innerhalb der Heizbänder stabil zu halten, muss eine Isolierung verwendet werden; außerdem sind automatisch registrierende Thermometer einzusetzen.

Normalisierung

Durch diese Behandlung, die in der Regel bei niedrig legierten Stählen angewandt wird, wird das durch das Schweißen entstandene grobkörnige Gefüge entfernt und die Materialeigenschaften verbessert. Außerdem verringert sie das Risiko von Sprödbrüchen und verhindert unkontrollierte thermische Spannungen im Schweißbereich.

Erhitzen des Metalls auf Temperaturen oberhalb des oberen kritischen Punkts und anschließendes Durchwärmen für eine der Querschnittsdicke proportionale Zeit vor dem Abkühlen bei Umgebungstemperatur unter kontrollierter Abkühlung. Durch das Verfahren entstehen feinkörnige Strukturen und gleichmäßige Gefüge, die dazu beitragen, innere Spannungen abzubauen, so dass das Material flexibler in Bezug auf die Umformung und Verwendung ist.

Das Vollnormalisieren, das am häufigsten bei Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Manganstählen angewandt wird, kann bei bestimmten Anwendungen ein wirksamer Ersatz für das Härten sein. Leider werden bei der Vollnormalisierung nicht alle Eigenspannungen beseitigt; die Vorschriften für die Ermüdungsauslegung können eine weitere Renormalisierung erfordern, um diesen Unterschied zu berücksichtigen.

Stressabbau

Das Spannungsarmglühen wird eingesetzt, um innere Materialspannungen zu verringern, die durch Fertigungsprozesse wie Umformen und Bearbeiten verursacht werden, z. B. Druck an der Oberfläche oder Spannung im Kern. Das Spannungsarmglühen ähnelt dem Glühen, bei dem das Material für eine bestimmte Zeit auf eine höhere Temperatur erwärmt wird, bevor es über eine bestimmte Zeit langsam wieder abgekühlt wird.

Die Spannungsarmglühung bietet mehrere Vorteile, darunter die Verringerung der Zugfestigkeit der Schweißnaht und die Stärkung der Ermüdungsbeständigkeit in lokalisierten Kerben und Spannungskonzentratoren, während sie gleichzeitig die intergranulare Karbidausscheidung erhöht. Der Spannungsabbau kann jedoch durch unsachgemäße Kühltechniken, Temperaturkontrollen oder Schweißtechniken, die während des PWHT-Verfahrens eingesetzt werden, negativ beeinflusst werden; um die Ergebnisse zu maximieren, ist es unbedingt erforderlich, dass diese Faktoren zu den richtigen Zeiten und bei den richtigen Temperaturen während dieses Prozesses eingesetzt werden.

Anlassen

Niedrig legierte Kohlenstoffstähle müssen nach dem Schweißen wärmebehandelt werden, um ein ausreichend festes und zähes Gefüge zu erhalten. Bei diesem Verfahren wird das Bauteil über einen längeren Zeitraum auf eine bestimmte Temperatur erwärmt, bevor es allmählich wieder abgekühlt wird.

Änderungen an der metallurgischen Struktur können dazu beitragen, die Wahrscheinlichkeit einer verzögerten Rissbildung zu verringern und die Duktilität zu erhöhen sowie die Korrosionsbeständigkeit von Schweißnähten, die Zähigkeit, die Kerbschlagzähigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegen Sprödbrüche zu verbessern.

Für die PWHT werden in der Regel kontrollierbare Vorheiz- und Heizsysteme mit strategisch platzierten Thermoelementen eingesetzt, um eine gleichmäßige Erwärmung ohne Verformung der Bauteile zu gewährleisten. Die punktuelle PWHT kann auch bei größeren Bauteilen wie Rundnähten an Rohren oder Verschlussnähten an langen Druckbehältern eingesetzt werden, obwohl diese Technik aufgrund von Schwankungen in der Wärmeausdehnung, die zu erheblichen Verformungen führen können, eine größere Herausforderung darstellen kann.