Wärmebehandlung nach dem Schweißen und Spannungsarmglühen

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) ist ein wichtiges Verfahren zum Abbau von Eigenspannungen und zur Erhöhung der Festigkeit von Stahlbauteilen sowie zur Vermeidung von Rissen und Sprödbrüchen in Werkstoffen.

Beim PWHT (Pressure Wash Heating & Torching) wird das Material unter seine kritische Verformungstemperatur erhitzt und dann über einen bestimmten Zeitraum gleichmäßig abgekühlt. Um das gewünschte Ergebnis zu erzielen, können verschiedene PWHT-Temperaturen und Einwirkzeiten verwendet werden.

Verringerung der inneren Spannungen

Beim Schweißen können hohe Eigenspannungen im Material entstehen, die seine Bruchzähigkeitseigenschaften beeinträchtigen und seine Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion (SCC) erhöhen. Die PWHT ist ein effizientes Wärmebehandlungsverfahren zum Abbau dieser Eigenspannungen. Dabei wird der Schweißbereich unter den Umwandlungsbereich erwärmt und dann langsam abgekühlt, um die Eigenspannungen zu reduzieren und gleichzeitig die mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindungen zu verbessern.

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) ist in der Regel für Druckgeräte vorgeschrieben, deren Dicke bestimmte Grenzwerte überschreitet, und wird auch zum Schutz von Bauteilen wie Tanks, Behältern und Rohrleitungen eingesetzt. Bei der Entscheidung, ob ein Projekt eine PWHT erfordert, sind verschiedene Faktoren zu berücksichtigen, z. B. die Art des Materials, die Temperaturanforderungen und die Einwirkzeiten.

Die PWHT wird häufig eingesetzt, um die Maßtoleranz wiederherzustellen und den durch ungleichmäßige Erwärmung und Abkühlung verursachten Verzug zu minimieren. Das Schweißgut kann unterschiedlich schnell abkühlen als das umgebende Grundmetall, was zu ungleichmäßig verteilten Spannungen führt, die abgebaut werden müssen, um den Verzug zu minimieren. Durch Spannungsarmglühen werden diese Spannungen beseitigt und umverteilt, um den Verzug zu minimieren.

PWHT kann auch die wasserstoffinduzierte Rissbildung (HIC) verringern. HIC tritt auf, wenn duktile Metalle in einer sauren Umgebung Zugspannungen ausgesetzt sind und unter Stress geraten, was Diagnose und Behandlung schwierig macht. Die PWHT kann dazu beitragen, das Auftreten von HIC zu verringern, indem sie die Zugspannungen abbaut, die zu SCC beitragen.

Verringerung der Härte

Das Schweißen kann innere Spannungen in den Werkstoffen verursachen, die zu Spannungskorrosion und wasserstoffinduzierter Rissbildung führen. Um diesem Risiko zu begegnen, wird häufig eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) eingesetzt. Bei der PWHT wird das Material über einen längeren Zeitraum erhitzt, bevor es allmählich wieder abgekühlt wird; außerdem wird die Härte verringert, was den Schweißern die Arbeit erleichtert.

Temperatur und Dauer hängen von dem zu schweißenden Material, dem verwendeten Schweißverfahren und dem gewünschten Ergebnis ab. Für eine wirksame PWHT ist es unerlässlich, dass geeignete Geräte und Einrichtungen verwendet werden, die Erwärmung über einen angemessenen Zeitraum bei einer akzeptablen Temperatur erfolgt und die Abkühlgeschwindigkeit entsprechend gesteuert wird.

Falsche oder nachlässige PWHT-Verfahren können dazu führen, dass sich Eigenspannungen mit Belastungsspannungen verbinden und die Auslegungsgrenzen des Materials überschreiten, was zu Schweißnahtfehlern, höherem Risspotenzial und Anfälligkeit für Sprödbruch führt. Dies kann letztendlich zu Schweißnahtausfällen führen.

Die Druckwasserhärtung kann dazu beitragen, solche Probleme zu entschärfen, und bietet dabei mehrere Vorteile. So kann beispielsweise die Härte des Metalls verringert werden, so dass es leichter zu bearbeiten ist. Darüber hinaus kann die Druckwasserhärtung dazu beitragen, wasserstoffinduzierte Rissbildung zu verringern, indem absorbierter Wasserstoff, der bei bestimmten Schweißverfahren zu wasserstoffinduzierter Rissbildung beitragen kann, ausgetrieben wird.

Erhöhte Stärke

Der Spannungsabbau wird häufig von den Vorschriften vorgeschrieben, da er ein wirksames Mittel ist, um die inneren Spannungen in Stahlbauteilen nach dem Schweißen abzubauen. Diese Praxis trägt dazu bei, die Festigkeit zu verbessern und gleichzeitig Risse unter dynamischen Belastungsbedingungen zu vermeiden; darüber hinaus ermöglicht der Spannungsabbau, dass die Schweißnähte ihre Duktilität und Zähigkeitseigenschaften behalten.

Bei diesem Verfahren wird der Schweißbereich vor dem Abkühlen auf eine bestimmte Temperatur erwärmt, wodurch Spannungen abgebaut und gleichmäßig im Metall verteilt werden, was die Härte und Duktilität verbessert, die Ermüdungsfestigkeit erhöht und die wasserstoffinduzierte Rissbildung bei bestimmten Stahlsorten verringert.

Je nach Art des Werkstoffs und der zu behandelnden Schweißnaht können verschiedene Wärmebehandlungsverfahren angewandt werden, wie z. B. Glühen, Anlassen, Abschrecken und Normalisieren. Jede Methode hat ihre eigenen Vor- und Nachteile, so dass es wichtig ist, die richtige Methode zu wählen und die empfohlenen Zeit- und Temperaturparameter einzuhalten.

Die Forschung zur Mechanik des Eigenspannungsabbaus hat gemischte und oft unverständliche Ergebnisse hervorgebracht, was die Interpretation schwieriger macht als erwartet. Es ist nach wie vor unklar, ob die plastische Verformung, die sich in Änderungen der Streckgrenze und des Elastizitätsmoduls zeigt, bei der Spannungsrelaxation eine Rolle spielt, und derzeit gibt es keine quantitative Beziehung zwischen der PWHT-Temperatur und der Haltezeit, die zu den gewünschten Ergebnissen führt.

Verringerung von Ermüdungsrissen

Schweißbedingte Spannungen können die langfristige Leistungsfähigkeit eines Bauteils beeinträchtigen und Ermüdungsrisse verursachen. Das Spannungsarmglühen kann diese Befürchtung zerstreuen, indem es schweißbedingte Spannungen beseitigt und das Bauteil widerstandsfähiger gegen Ermüdungsbrüche bei zyklischen Belastungen macht. Darüber hinaus ermöglicht das Spannungsarmglühen das Anlassen von Ausscheidungen oder Alterungsprozessen in Werkstoffen, wodurch die Duktilität verbessert und die Gefahr von Sprödbrüchen verringert werden kann.

Beim PWHT wird das Bauteil für einen bestimmten Zeitraum über seine Umwandlungstemperatur hinaus erhitzt. Dadurch wird ein Temperaturgradient erzeugt, der eine Entspannung der inneren Spannungen bewirkt und dazu beiträgt, Spannungskorrosion und wasserstoffinduzierte Risse zu verhindern, während gleichzeitig die Empfindlichkeit der Schweißnaht gegenüber Belastungen im Betrieb verringert wird. Die PWHT kann erforderlich sein, wenn es sich um komplexe Bauteile oder Gussteile mit engen Maßtoleranzen und kritischen Belastungen handelt, die beim Schweißen oder Gießen besonders berücksichtigt werden müssen.

Studien haben gezeigt, dass eine gleichmäßige PWHT bei bestimmten Schweißnähten zu einem erheblichen Abbau von Eigenspannungen führen kann, wobei die Unterschiede von verschiedenen Faktoren wie Materialeigenschaften, Geometrie und Größe der Schweißnähte abhängen. Die Entwicklung von Kriechdehnungen spielt eine viel größere Rolle als die plastische Verformung bei gleichmäßigen PWHT-Verfahren in Öfen - und die meisten Kriechdehnungen entwickeln sich vor Beginn der PWHT-Haltezeiten; folglich ist es unwahrscheinlich, dass eine kürzere PWHT-Haltezeit ähnliche Spannungsentlastungseffekte erzielen kann wie eine lange.