Wärmebehandlung nach dem Schweißen

Die Nachwärmebehandlung (PWHT) reduziert Restspannungen, verbessert die mechanischen Eigenschaften und erhöht die Korrosionsbeständigkeit von Schweißkonstruktionen, wodurch deren Zuverlässigkeit als geschweißte Bauteile gesteigert wird. Bevor jedoch mit der Nachwärmebehandlung begonnen wird, ist es unerlässlich, alle damit verbundenen Einschränkungen und potenziellen Gefahren zu kennen.

PWHT (Pressure Wash Heat Treating) ist ein Verfahren, bei dem Stahl auf Temperaturen unterhalb seines Umwandlungsbereichs erhitzt und dort über einen längeren Zeitraum gehalten wird. Dieses technische Thema erfordert Fachwissen und spezielle Ausrüstung.

Stressabbau

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT), auch als Spannungsabbau nach dem Schweißen bekannt, reduziert und verteilt Restspannungen in Schweißkonstruktionen neu und verbessert gleichzeitig deren mechanische Eigenschaften wie Duktilität und Zähigkeit. Bei der PWHT wird das Metall über einen längeren Zeitraum auf eine genau festgelegte Temperatur erhitzt – diese muss jedoch unterhalb der Umwandlungstemperatur bleiben, um eine Beeinträchtigung der Materialeigenschaften zu vermeiden.

Bei Fertigungsprozessen wie Zerspanung, Stanzen und Schweißen entstehen häufig innere Spannungen. Dies führt zu Verformungen der Bauteile, die vor dem Einsatz beseitigt werden müssen. Die PWHT bietet einen thermischen Entspannungsmechanismus, mit dem diese Spannungen abgebaut werden können, ohne die physikalischen Eigenschaften der Bauteile zu verändern.

Beachten Sie, dass der Prozess zum Abbau von Restspannungen durch die Umgebungsbedingungen beeinflusst werden kann. Hohe Luftfeuchtigkeit oder der Kontakt mit Chemikalien können den PWHT-Prozess verändern und die Wirksamkeit des Restspannungsabbaus beeinträchtigen, wodurch sich sowohl das Risiko von Schweißnahtversagen als auch das Korrosionsrisiko erhöht.

Die PWHT reduziert nicht nur Restspannungen, sondern kann auch vor Korrosion schützen. Wenn Metall gleichzeitig Spannungen und korrosiven Bedingungen ausgesetzt ist, kann es aufgrund eines Ungleichgewichts zwischen Zugspannungen und elastischer Verformung seiner Materialstruktur anfällig für Korrosionsrisse werden. Die Spannungsentlastung während der PWHT verhindert dies, indem sie die Zugspannungen verringert und gleichzeitig die elastische Verformung erhöht, wodurch Korrosionsrisse gänzlich vermieden werden.

Mechanische Eigenschaften

Da beim Schweißen große Temperaturunterschiede zwischen Schweißgut und Grundwerkstoffen entstehen, können Restspannungen im Schweißgut dessen Festigkeit beeinträchtigen. Eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) kann eingesetzt werden, um solche Spannungen abzubauen und die mechanischen Eigenschaften zu verbessern – dieses Verfahren wird gemeinhin als PWHT bezeichnet.

Bei der PWHT wird das geschweißte Material unterhalb seiner unteren kritischen Umwandlungstemperatur erhitzt und dort für einen festgelegten Zeitraum gehalten. Dieses Verfahren wird in der Regel bei Druckbehältern und anderen Anlagen angewendet, die ein hohes Maß an Sicherheit und Zuverlässigkeit erfordern. Es kann dazu beitragen, Sprödbrüche in Schweißnähten zu verringern und gleichzeitig deren Zugfestigkeitseigenschaften zu verbessern.

Es ist jedoch zu beachten, dass die Nachwärmebehandlung (PWHT) auch bestimmte mechanische Eigenschaften, darunter die Schlagzähigkeit und die Duktilität der Schweißnaht, beeinträchtigen kann; dennoch sind ihre Vorteile nach wie vor beträchtlich.

Es wurde nachgewiesen, dass die PWHT die mechanischen Eigenschaften von geschweißten NiTi-Werkstoffen erheblich verbessert, insbesondere die Lokalisierung der plastischen Verformung in grobkörnigen Bereichen wie der Wärmeeinflusszone (HAZ) und der Übergangszone (FZ), indem sie die Versetzungsbildung unterdrückt und die Betätigungsdehnung in diesen Bereichen verringert; ein Effekt, der auf die lösungsfestigenden g-Phasen während der PWHT zurückgeführt wird.

Korrosionsbeständigkeit

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) ist ein Verfahren, das nach dem Schweißen durchgeführt wird, um die Einhaltung von Branchennormen und -spezifikationen sicherzustellen und das Korrosionsrisiko zu verringern. Es handelt sich um einen unverzichtbaren Schritt, der durchgeführt werden muss, damit die Werkstoffe die Branchenanforderungen erfüllen und gleichzeitig vor Korrosion geschützt sind.

Bei der Wärmebehandlung wird das geschweißte Metall auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und anschließend langsam abgekühlt, um die beim Schweißen entstandenen Restspannungen abzubauen und wasserstoffinduzierte Risse (HIC) zu verhindern. Darüber hinaus kann diese Behandlung die mechanischen Eigenschaften verbessern, indem ein homogeneres Material mit geringerer Härte entsteht.

Beim Normalisieren wird das Material länger auf höhere Temperaturen erhitzt als beim Glühen; dadurch wird eine feinere Kornstruktur erzielt, die für Anwendungen mit höheren Festigkeitsanforderungen geeignet ist. Es ist jedoch zu beachten, dass bestimmte Bauteile nicht einer Normalisierungs-PWHT unterzogen werden können, da große und komplex geformte Bauteile sich bei der Halte-Temperatur nicht selbst tragen können; dies würde wahrscheinlich zu katastrophalem Knicken und Verformungen führen. Daher sollte die PWHT nur an Bauteilen durchgeführt werden, die problemlos abgestützt werden können; ein Beispiel hierfür wäre der gewölbte Boden eines Druckbehälters, da sich diese Art von Bauteil hervorragend für eine Normalisierungs-PWHT eignet. Eine PWHT zur Re-Lösung kann eingesetzt werden, um allfällige Chromkarbide aufzulösen, die sich entlang der Korngrenzen zwischen Delta-Ferrit und Austenit befinden und die die Lochkorrosionsbeständigkeit der Schweißauflage aus Duplex-Edelstahl (DSS) beeinträchtigen könnten.

Umgebungsbedingungen

Die Nachwärmbehandlung (PWHT) ist ein wesentlicher Schritt bei der Konstruktion und Instandhaltung vieler Stahlkonstruktionen wie Druckbehälter, Rohrleitungsanlagen, Brücken und Offshore-Plattformen. Die PWHT verringert umgebungsbedingte Rissbildung, indem sie Restspannungen in der Schweißnaht abbaut und die Mikrostruktur des Schweißguts tempert. Gleichzeitig erhöht sie die Zähigkeit und verbessert so die Widerstandsfähigkeit gegenüber Belastungen und Umgebungsbedingungen, denen die Schweißkonstruktion während ihrer Lebensdauer ausgesetzt ist.

Eine Nachwärmbehandlung (PWHT) ist in der Regel bei Konstruktionsanwendungen erforderlich, bei denen Kohlenstoffstähle mit einer Dicke oberhalb eines normmäßig festgelegten Schwellenwerts sowie niedriglegierte Stähle zum Einsatz kommen, um die durch das Schweißen verursachten Eigenspannungen zu reduzieren, die andernfalls zur Rissbildung und schließlich zu einem Sprödbruch führen könnten. Das Verfahren umfasst das Vorwärmen, das Halten der Temperatur, das Aufheizen auf die Zieltemperatur und das kontrollierte Abkühlen, um Verformungen oder Eigenspannungen in angrenzenden Schweißbereichen zu minimieren.

Lokale PWHT-Maßnahmen, wie beispielsweise Punkt- oder „Bulls-Eye“-Konfigurationen, werden häufig nach Schweißreparaturen und Umbauten an Druckbehältern und Rohrleitungssystemen eingesetzt. Die sorgfältige Auslegung lokaler PWHT-Konfigurationen ist entscheidend, um Verformungen, Risse und andere Schäden zu vermeiden, die die Ausfallzeiten während der Reparatur verlängern; fortschrittliche thermomechanische Finite-Elemente-Analysen der lokalen PWHT-Konfigurationen und ihrer Restspannungszustände können dazu beitragen, dieses Ergebnis zu erzielen.