Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) für Kohlenstoffstahl

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) ist ein integraler Bestandteil des Schweißprozesses und dient dazu, die durch das Schweißen verursachten Eigenspannungen abzubauen und gleichzeitig harte oder potenziell spröde Gefügebereiche zu vergüten.

Die PWHT kann in Öfen durchgeführt werden, die mit Strom, Erdgas oder Öl betrieben werden. In diesem Artikel konzentrieren wir uns jedoch darauf, welche Temperatur erreicht werden muss, um optimale Ergebnisse bei der PWHT von Kohlenstoffstahl zu erzielen.

Thermodynamik

Schweißen ist eines der am weitesten verbreiteten technischen Fertigungsverfahren. Nach dem Schweißen können sich jedoch Eigenspannungen bilden, die zu Betriebsschwierigkeiten führen. Um diese inneren Spannungen abzubauen, kann eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen (Post Weld Heat Treatment, PWHT) dazu beitragen, die Eigenspannungen abzubauen, indem gehärtete Zonen erweicht, die Mikrostruktur und die chemischen Eigenschaften verbessert, der Wasserstoffgehalt im Schweißbereich gesenkt und Eigenspannungen abgebaut werden; übermäßige oder ungeeignete Temperaturen oder Haltezeiten wirken sich jedoch negativ auf die mechanischen Eigenschaften aus [1].

Kohlenstoffstähle und niedrig legierte Stähle erfordern eine PWHT, um Eigenspannungen zu reduzieren, die Materialhärte zu kontrollieren und die mechanische Festigkeit zu erhöhen. Die Anforderungen an die PWHT-Temperaturen der einzelnen Werkstoffe hängen von den jeweiligen Verwendungsvorschriften ab. PWHT-Temperaturen für bestimmte chemische Zusammensetzungen oder Dickenbereiche, wie z. B. für Rohrleitungs- und Druckbehälterstähle mit einem Chromgehalt von weniger als 1,5%, erfordern in der Regel höhere Temperaturen als 1050 Grad Celsius, wie in den Vorschriften festgelegt. Bei Rohren und Druckbehältern mit solchen Anforderungen, wie z. B. bei Stahl mit einem Chromgehalt von 1,5%, sind PWHT-Temperaturen von mehr als 1050°C erforderlich, um die mechanische Festigkeit zu erhöhen, wie es in den Vorschriften festgelegt ist, die regeln, wie die PWHT funktionieren und diese Ziele effektiv erreichen soll.

Allgemeine Konstruktionsgüten wie BS 5400 für Brücken, BS 5958 für Gebäude und EEMUA 158 für Offshore-Strukturen erlauben jedoch deutlich dickere Dicken im geschweißten Zustand, die mit höheren Charpy-Energieanforderungen verbunden sind. Diese Unterschiede scheinen mit Faktoren wie Vorwärmtemperatur, Legierungsgehalt und Martensitbildung zusammenzuhängen. Dieser Artikel soll den Lesern helfen, diese Einflüsse bei der Bestimmung der PWHT-Temperatur für Ihren Stahl besser zu verstehen.

Mikrostruktur

Einige Werkstoffe müssen nach dem Schweißen wärmebehandelt werden, um die gewünschte Festigkeit und Duktilität zu erreichen. Bei der PWHT werden die geschweißten Werkstücke 1 Stunde lang pro 25 mm Dicke auf 580 bis 620 °C erhitzt, um die beim Schweißen entstandenen Restspannungen abzubauen; dies trägt dazu bei, eine ausreichende Zugfestigkeit und Charpy-Kerbschlagzähigkeit zu gewährleisten und das Bruchrisiko zu verringern.

Die STEM-Mikroskopie wurde eingesetzt, um die Versetzungsstruktur und die Veränderung der MX-Karbonitride bei verschiedenen PWHT-Zeiten zu untersuchen. Eine Probe im geschweißten Zustand wies eine hohe Dichte an stark verworrenen Versetzungen in der bainitischen Matrix auf; geordnete Strukturen wie Versetzungsnetze oder Subkorngrenzen waren in diesem Stadium nicht erkennbar. Mit zunehmender PWHT-Zeit verringerte sich die Versetzungsdichte erheblich; neue geordnete Strukturen wie Versetzungsnetze oder Subkorngrenzen wurden sichtbar, ebenso wie vergröberte MX-Karbonitride, die ihren Pinning-Effekt auf Versetzungen verringerten, was schließlich dazu führte, dass Subkorngrenzen wieder sichtbar wurden.

Bei PWHT-Zeiten von 8 und 16 Stunden verbessert sich die Morphologie des Schweißguts bei niedrigeren Versetzungsdichten; die Versetzungsdichte bleibt jedoch viel höher als bei abgeschrecktem Stahl. Darüber hinaus sind die Ausscheidungen an den Korn- und Unterkorngrenzen aufgrund der Ostwald-Reifung der MX-Karbonitride erheblich vergröbert worden, was zu größeren Partikeln an den Korn- und Unterkorngrenzen als in den Körnern selbst führt.

Stressabbau

Die Warmhärtung von Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Mangan-Stählen ist ein wichtiger Schritt nach dem Schweißen, um Sprödbrüche zu vermeiden. Bei diesem Verfahren wird der Schweißbereich über einen längeren Zeitraum auf hohe Temperaturen erhitzt und anschließend abgekühlt. Bei höheren Temperaturen wird die Spannungsverteilung gleichmäßiger, wodurch die Eigenspannungen verringert werden, während das Anlassen harte Gefügebereiche des Grundmaterials erweicht, die sonst zu Rissen führen könnten.

Durch das Schweißen werden hohe Eigenspannungen in Metalle eingebracht, insbesondere bei dickeren Schweißnähten. In Verbindung mit der Betriebsbelastung können diese Eigenspannungen zu einer verminderten Bruchzähigkeit und Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion (SCC) führen. Die PWHT dient dazu, diese Eigenspannungen abzubauen und die mechanischen Eigenschaften der zu schweißenden Verbindung zu verbessern.

Bei der PWHT müssen die Strukturen über lange Zeiträume hinweg hohen Temperaturen ausgesetzt werden, was bei größeren Bauteilen schwierig und teuer sein kann. Um eine ordnungsgemäße Isolierung und Erwärmung im Schweißbereich zu gewährleisten, ist eine genaue Temperaturmessung mit einem digitalen Schreiber/Regler erforderlich.

Eine unsachgemäße PWHT kann die Festigkeit des Materials verringern. Außerdem kann eine ineffiziente Abkühlungsrate während der PWHT zu Verformungen führen und die endgültige Zugfestigkeit verringern.

Stärke

Wie bereits erwähnt, nehmen die Zugfestigkeit und die Streckgrenze von Kohlenstoffstahl mit steigender Temperatur tendenziell ab; die Duktilität (KJc) nimmt jedoch zu, da beim Anlassen größere Martensit-Austenit-Bestandteile entstehen, die die Schlagzähigkeit erhöhen.

Daher ist es von entscheidender Bedeutung, dass die PWHT-Bedingungen nicht nur auf die Eigenschaften des Stahls im Anlieferungszustand, sondern auch auf die zu erwartenden Betriebsbedingungen des geschweißten Bauteils zugeschnitten sind. Daher müssen Stahlhersteller dies bei der Festlegung der Anlasstemperatur für ihre Walzprodukte berücksichtigen.

Bauvorschriften und -normen (z. B. BS 1113 und ASME VIII) schreiben häufig eine Untergrenze für die PWHT-Dicke vor. Diese Grenzwerte werden auf der Grundlage der Annahme festgelegt, dass sowohl die Zugfestigkeit als auch die Streckgrenze nach der PWHT innerhalb akzeptabler Parameter bleiben.

Natürlich ist dies nicht immer möglich, und deshalb muss jedes Rohr oder jeder Behälter, das bzw. der für den Einsatz von Wasserstoff vorgesehen ist, einer Wärmebehandlung nach dem Schweißen unterzogen werden (PWHT). Sowohl die Temperatur als auch die Dauer der Wärmebehandlung müssen sorgfältig ausgewählt werden, um die gewünschten metallurgischen Veränderungen herbeizuführen und gleichzeitig alle relevanten Vorschriften, Normen und Vertragsspezifikationen zu erfüllen; auch hinsichtlich der für Kohlenstoffstähle spezifischen Zeiten und Temperaturen muss fachkundiger Rat eingeholt werden.