Wärmebehandlung nach dem Schweißen

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) ist ein wichtiger Schritt, um Restspannungen in geschweißten Druckbehältern abzubauen, die zu Defekten und einer über die Konstruktionsvorgaben hinausgehenden Härtung führen könnten, sowie um die Zähigkeit und Duktilität zu verbessern und so die Konstruktionskriterien zu erfüllen.

In den meisten Spezifikationen zur Qualifizierung von Schweißverfahren, wie beispielsweise EN 13445 und BS PD 5500, ist eine PWHT-Prüfung vorgeschrieben, wobei die Zeit- und Temperaturanforderungen in diesen Dokumenten in tabellarischer Form aufgeführt sind.

Stressabbau

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen, allgemein als PWHT bezeichnet, kann innere Spannungen in Stahlbauteilen reduzieren und so Verformungen und andere Probleme verhindern, die zu deren Versagen führen könnten. Die PWHT kann zudem dazu beitragen, wasserstoffbedingte Rissbildung in einigen Legierungen zu mindern sowie Korrosionsprobleme in der Nähe von Schweißnähten bei bestimmten Metallgüten zu verringern.

Bei Umform-, Zieh- und Bearbeitungsvorgängen können in Stahl innere Spannungen entstehen, die zu Restzug- oder Druckspannungen führen, welche wiederum Verformungen und letztendlich einen Ausfall im Betrieb zur Folge haben. Die PWHT bietet eine wirksame Lösung, indem das Werkstück über seine untere kritische Temperatur erhitzt und anschließend zur Spannungsentlastung gleichmäßig und schrittweise abgekühlt wird.

Das Erwärmen von Bauteilen auf diese Temperatur senkt deren Streckgrenze und ermöglicht es, dass etwaige Schweißrestspannungen, die diese neue, niedrigere Grenze überschreiten, diese überschreiten können, was zu einer plastischen Verformung führt, durch die die Restspannungen abgebaut werden. Bei diesem als Spannungsarmung bezeichneten Verfahren werden die Werkstücke je nach Größe und Komplexität für einen einstellbaren Zeitraum bei dieser Temperatur gehalten.

Die PWHT-Prüfung größerer Bauteile wie Luftbehälter und Kessel dient dazu, innere Spannungen zu beseitigen, bevor diese dauerhafte Schäden verursachen können. Sie wird häufig durchgeführt, um sicherzustellen, dass alle inneren Spannungen auf ein akzeptables Toleranzniveau reduziert wurden, bevor die abschließenden Bearbeitungs- oder Endbearbeitungsprozesse beginnen. Sie kann auch bereits in den Fertigungsphasen durchgeführt werden, um die Toleranzanforderungen vor den abschließenden Endbearbeitungsprozessen zu überprüfen.

Härtekontrolle

Das Schweißen ist ein wesentlicher Bestandteil des Betriebs von Öl- und Gaspipelines, Kraftwerken und anderen Industrieanlagen. Das Schweißen bietet zwar zahlreiche nützliche Funktionen, doch können die dabei entstehenden Eigenspannungen die Festigkeit des Materials im Laufe der Zeit beeinträchtigen. Um diese Spannungen auszugleichen und die Betriebssicherheit der Anlagen zu gewährleisten, können Wärmebehandlungsverfahren wie die PWHT zum Einsatz kommen; die PWHT reduziert Restspannungen und verbessert gleichzeitig die Duktilität und Zähigkeit, sodass die ursprünglichen Auslegungswerte erreicht oder übertroffen werden.

Die PWHT wird in der Regel bei Kohlenstoff- und legierten Stählen durchgeführt. Bei diesem Verfahren werden die Werkstücke auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und dort für eine festgelegte Zeit gehalten – in der Regel eine Stunde pro Zoll Dicke. Temperatur, Abkühlgeschwindigkeit und Haltezeit müssen sorgfältig berücksichtigt werden, da unsachgemäße Vorgehensweisen zu Anlassversprödung, Verformungen und Rissen beim erneuten Erhitzen führen können.

Das PWHT kann ein kostspieliges Verfahren sein, da es auf teure Energiequellen angewiesen ist, um die für eine wirksame Spannungsentlastung erforderlichen hohen Temperaturen zu erreichen und aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus können mehrere PWHT-Zyklen über die Lebensdauer eines Bauteils hinweg den Gesamtenergieverbrauch erhöhen. Glücklicherweise gibt es andere Alternativen, die ähnliche Vorteile bieten – beispielsweise können Verbundwerkstoffe Festigkeit und Steifigkeit wiederherstellen, ohne dass Heißarbeiten oder aufwendige Schweißverfahren erforderlich sind.

Kraftsteigerung

Kraftsteigerung ist die Fähigkeit, die eigene körperliche Kraft zu verstärken; eine Unterfähigkeit der Kraftmanipulation und eine Variante der Sekundärkraft.

Bei Pwht-Verfahren (wie Glühen, Normalisieren und Anlassen) wird Stahl erwärmt und abgekühlt, um Eigenspannungen zu beseitigen oder neu zu verteilen. Andere Verfahren können Ausscheidungen, Alterung oder andere metallurgische Effekte beinhalten, die die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs verbessern, wie z. B. eine Verringerung der Härte, eine Erhöhung der Zähigkeit oder eine Verringerung des Risikos von Wasserstoffrissen; hinsichtlich der für diese Verfahren erforderlichen Zeiten und Temperaturen muss fachkundiger Rat eingeholt werden.

Die PWHT kann sich auch auf die Mikrostruktur des Schweißguts auswirken und zu einer Verfeinerung dieser beitragen. Dies kann das Ermüdungsverhalten von Schweißnähten verbessern, wodurch günstigere Bedingungen erreicht werden.

In vielen Anwendungsfällen wird die Entscheidung für eine PWHT jedoch nicht allein durch das Ermüdungsverhalten der Schweißnaht bestimmt, sondern hängt vielmehr von anderen Faktoren ab, wie beispielsweise den Anforderungen an die chemische Zusammensetzung und/oder die Wanddicke, die in bestimmten Vorschriften oder Normen festgelegt sind. Daher muss bei dieser Entscheidung ein Abwägung zwischen den Kosten und möglichen nachteiligen Auswirkungen erfolgen; Vorschriften für Druckbehälter und Rohrleitungen schreiben häufig eine PWHT für Schweißgut ab einer bestimmten Dicke vor, während in anderen Fällen die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion die Notwendigkeit einer PWHT bestimmt.

Duktilität

Unter Duktilität versteht man die Fähigkeit eines Werkstoffs, sich plastisch zu verformen (d. h. sich zu dehnen und zu biegen, ohne zu brechen), im Gegensatz zur elastischen Verformung, die sich bei Wegfall der Beanspruchung rückgängig machen lässt. Die meisten Metalle sind relativ duktil; das Ziehen von Draht oder das Walzen von Blechen wird durch metallische Bindungen erleichtert, die es den sich wiederholenden Atomen ermöglichen, beim Dehnen oder Umformen aneinander vorbeizugleiten, während sprödere Werkstoffe dazu neigen, an Stellen zu reißen, an denen sich Kräfte konzentrieren.

Die Formbarkeit ist eine Materialeigenschaft, die angibt, wie leicht sich Metall zu dünnen Blechen oder anderen Formen verformen lässt – eine wesentliche Eigenschaft bei Fertigungsanwendungen mit kleinen, dünnen Bauteilen, wie sie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt oder in der Automobilindustrie vorkommen.

Zwar lassen sich Duktilität und Formbarkeit mit verschiedenen Verfahren messen, doch ist ein standardmäßiger Zugfestigkeitstest einer der besten und zuverlässigsten Indikatoren. Bei diesem Verfahren wird ein flacher oder runder Probekörper mit Greifabschnitten an beiden Enden und dünneren Abschnitten in der Mitte (vergleichbar mit Dog-Bone- oder Hantelproben), der von einer an eine Wägezelle angeschlossenen Ober- und Unterbacke festgehalten wird, einer von einer Kraftquelle ausgeübten Zugkraft ausgesetzt und so lange gedehnt, bis es zum Bruch kommt, wodurch eine Spannungs--Dehnungs-Kurve entsteht, während sich der Probekörper dehnt und schließlich bricht; die Dehnung am Einschnürungspunkt dient als guter Indikator für die Duktilität des Materials, auch wenn die Identifizierung des Spitzenwerts je nach Qualität der Probenherstellung schwierig sein kann.