Die Bedeutung der Schweißnahtbehandlung

Die Schweißnahtbehandlung geht über reine Schweißverfahren hinaus – sie ist ein wesentlicher Bestandteil der Langlebigkeit von Anlagen, dient dem Abbau innerer Spannungen, der Verfeinerung der Metallstrukturen und der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, um eine überragende Zuverlässigkeit und Leistung zu gewährleisten.

Die Temperaturregelung ist von entscheidender Bedeutung, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Ohne sie kann eine zu hohe Temperierung die Festigkeit und Härte des Metalls beeinträchtigen, während eine zu niedrige Temperierung zu höheren Eigenspannungen, Verformungen und unbeabsichtigten metallurgischen Veränderungen führen kann.

Vorheizen

Unter „Vorwärmen“ versteht man das kontrollierte Erwärmen von Metallteilen vor dem Schweißen, beispielsweise mittels offener Flamme, Gasbrenner oder elektrischer Widerstandsheizspule. Auch andere Quellen können diese Dienstleistung erbringen.

Das Vorwärmen trägt dazu bei, Kaltrisse zu verhindern, indem es die Abkühlgeschwindigkeit des Schweißbads und des umgebenden Grundmetalls verlangsamt, Feuchtigkeit und Wasserstoff, die andernfalls zur Rissbildung beitragen könnten, abführt, die Erstarrungsspannungen gleichmäßiger verteilt und jegliche Feuchtigkeit und jeglichen Wasserstoff, die zu Kaltrissen in Schweißnähten führen könnten, abführt.

Bei vielen Schweißverfahren muss eine anfängliche Vorwärmtemperatur eingestellt werden, die auf das jeweilige Grundmetall, das Schweißverfahren und die Wandstärke abgestimmt ist. Die Aufrechterhaltung dieser Temperatur während des Schweißens ist entscheidend, um Schweißnähte mit duktilem Metallgefüge zu erzielen und Wasserstoffrisse zu vermeiden.

Viele Legierungen, wie beispielsweise ausscheidungsgehärtete Stähle, erfordern eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen, um ihre ursprünglichen Eigenschaften wiederzuerlangen. Dies kann ein Lösungsglühen oder eine künstliche Alterung beinhalten; andere Werkstoffe erfordern nach dem Schweißen möglicherweise lediglich eine Normalisierungsbehandlung; welche Art von Behandlung erforderlich ist, richtet sich nach den Anforderungen der Normen, den Werkstoffeigenschaften und den Einsatzbedingungen.

Interpass

Das Temperaturmanagement während des Zwischennahtschweißens trägt dazu bei, Rissbildung zu verhindern und die Schweißnahtqualität zu verbessern, da es für gleichmäßige Temperaturen in der gesamten Schweißzone sorgt, die nahe an der Vorwärmtemperatur liegen. In manchen Fällen kann hierfür der Einsatz eines speziellen Brenners mit einer einstellbaren Rosetten-Düse erforderlich sein, um eine optimale Flammenverteilung zu gewährleisten.

In typischen Schweißverfahrensanweisungen werden Mindesttemperaturen zwischen den Schweißgängen sowie entsprechende Anforderungen festgelegt, die je nach Dicke des Schweißguts variieren und mithilfe digitaler Pyrometer oder Temperaturanzeigestifte wie Tempilstik® überwacht werden können.

Die Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur zwischen den Schweißgängen trägt dazu bei, Kaltrisse zu minimieren, indem die Wasserstoffdiffusion aus der Schweißnaht beschleunigt wird. Außerdem ermöglicht sie einen leichteren Übergang der Legierung von Austenit zu Ferrit zwischen den Schweißgängen, was die Zähigkeit der Schweißnaht verbessert und gleichzeitig den Bedarf an einer Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) bei ausscheidungsgehärteten Legierungen potenziell verringert; Alloys in fester Lösung und korrosionsbeständige Legierungen erfordern jedoch häufig eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen, die unter Anleitung von Haynes International durchgeführt werden sollte.

Wärmebehandlung nach dem Schweißen

Eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen trägt dazu bei, das Risiko von Sprödbrüchen und wasserstoffinduzierten Rissen zu verringern, die insbesondere in Bereichen wie Ölpipelines häufig auftreten. Darüber hinaus tragen Wärmebehandlungen nach dem Schweißen dazu bei, gleichmäßige mechanische Eigenschaften zu gewährleisten, Verformungen zu reduzieren und die Ermüdungslebensdauer unter kritischen Belastungen zu verbessern.

Beim Schweißen gelangen große Mengen Wasserstoff in das Werkstück. Wird die Schweißnaht nicht ordnungsgemäß erwärmt und abgekühlt, kann dieser Wasserstoff aus dem Schweißbereich diffundieren und zu Versprödung oder wasserstoffinduzierten Rissen (HIC) führen. Durch eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen kann der Wasserstoff sicher entweichen, wodurch das Risiko für HIC verringert wird.

Die PWHT kann auch dazu genutzt werden, die Mikrostruktur von Schweißzonen durch Anlassen und Normalisieren zu verbessern und so beispielsweise die Zähigkeit und die Beständigkeit gegen Spannungskorrosionsrisse bei Edelstahlbauteilen zu erhöhen. REM-Aufnahmen von lasergeschweißten NiTi-Proben zeigen, wie die Wärmebehandlung kleinere Ausscheidungen erzeugt, die die Ermüdungslebensdauer erhöhen [102]. Die PWHT muss sorgfältig durchgeführt werden, um Verformungen und eine ungleichmäßige Spannungsentlastung zu vermeiden, indem die Schweißzonen während der Behandlung schrittweise erwärmt und abgekühlt werden [103,104].

Abschrecken

Das Abschrecken ist die letzte Wärmebehandlung vor dem Schweißen. Bei diesem Verfahren wird das Metall schnell auf Temperaturen unterhalb seiner Martensit-Anfangstemperatur abgekühlt, wodurch die Zugfestigkeit verringert und gleichzeitig die Zähigkeit verbessert wird.

Die Abkühlgeschwindigkeiten hängen vom gewählten Kühlmittel ab; Luft ist ein beliebtes Kühlmedium, da sie kostengünstig und nicht brennbar ist und schnelle Abkühlgeschwindigkeiten ermöglicht; allerdings kann sie bei Metallteilen zu Verformungen führen und ist für die meisten Legierungen ungeeignet.

Das Abschrecken ist ein wesentlicher Schritt zur Verringerung hoher Eigenspannungen in der Wärmeeinflusszone (HAZ) von schmelzgeschweißten Rohren. Eine Zunahme der Restspannungskonzentration erhöht das Risiko von Kaltrissen und Ermüdungsrissen; um dieses Problem zu mindern, muss die Abkühlung mit einer optimalen Geschwindigkeit erfolgen, um die Auflösung der Legierungselemente in der festen Lösung zu maximieren und gleichzeitig Verformungen und Restspannungen zu minimieren – dies erfordert sowohl eine gute Dickeüberwachung als auch eine festgelegte Spezifikation zur Qualifizierung des Schweißverfahrens.