Wärmebehandlung nach dem Schweißen für Kohlenstoffstahl

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (Post Weld Heat Treatment, PWHT) dient dazu, die beim Schweißen entstandenen Restspannungen zu lösen und neu zu verteilen. Sie wird häufig von Normen für Werkstoffe vorgeschrieben, die bestimmte Dickeanforderungen überschreiten.

Die Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten müssen sorgfältig gesteuert werden, um Thermoschock, Verformungen oder eine ungleichmäßige Spannungsentlastung zu vermeiden. Die PWHT kann entweder in einem Ofen oder mithilfe von lokal eingesetzten elektrischen Widerstandsmatten oder -pads durchgeführt werden.

Glühen

Die PWHT senkt die Zugrestspannungen in den Schweißbereichen deutlich, beseitigt sie jedoch nicht vollständig. Die meisten Ermüdungszyklen führen nach wie vor zu reinen Zugspannungen, die äußerst schädlich sein können.

Beim Vollglühen werden hypoeutektoide und eutektoide Phasen auf Temperaturen von etwa 50 °C über ihren jeweiligen Ac3- und Ac1-Temperaturen erhitzt und anschließend langsam abgekühlt, bis sie nahezu gleichgewichtige Strukturen erreichen. Dieser Prozess trägt dazu bei, Wasserstoffversprödung zu vermeiden und gleichzeitig das Risiko von umgebungsbedingten Rissen zu verringern.

Eine punktuelle Nachwärmebehandlung (PWHT) an kleinen Bauteilen ist möglich, muss jedoch sorgfältig durchgeführt werden. Werden die Bänder für Haltezeit, Erwärmung und Temperaturgradienten nicht korrekt dimensioniert und platziert, kann dies zu Verformungen oder zum Zusammenbruch von Bauteilen führen oder aufgrund von Instabilitäten im Restspannungszustand zu einem katastrophalen Versagen führen. Es muss eine Isolierung verwendet werden, um die Temperaturen innerhalb der beheizten Zonen stabil zu halten; außerdem müssen Thermometer mit automatischer Aufzeichnung eingesetzt werden.

Normalisierung

Diese Behandlung, die in der Regel bei niedriglegierten Stählen angewendet wird, beseitigt die durch das Schweißen entstandene grobkörnige Struktur und verbessert die Werkstoffeigenschaften. Darüber hinaus verringert sie das Risiko eines Sprödbruchs und verhindert gleichzeitig die Entstehung von ungebundenen thermischen Spannungen im Schweißbereich.

Das Erhitzen von Metall auf Temperaturen oberhalb des oberen kritischen Punktes und das anschließende Halten bei dieser Temperatur für eine Zeit, die proportional zur Querschnittsdicke ist, bevor es unter kontrollierten Bedingungen auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird. Durch dieses Verfahren entstehen feinkörnige Strukturen und gleichmäßige Mikrostrukturen, die zum Abbau innerer Spannungen beitragen und das Material hinsichtlich Umformvorgängen und Einsatzmöglichkeiten flexibler machen.

Das Vollnormalisieren, das am häufigsten bei Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Mangan-Stählen angewendet wird, kann in bestimmten Anwendungsfällen als wirksamer Ersatz für das Härten dienen. Leider werden durch das Vollnormalisieren jedoch nicht alle Eigenspannungen beseitigt; Ermessungsregeln für die Ermüdungsfestigkeit können daher eine weitere Renormalisierung erfordern, um diesem Unterschied Rechnung zu tragen.

Stressabbau

Das Spannungsabbauen dient dazu, innere Materialspannungen zu verringern, die durch Fertigungsprozesse wie Umformen und Zerspanen entstehen, beispielsweise Druck an der Oberfläche oder Zug im Kern. Das Spannungsabbauen ähnelt dem Glühen, da dabei das Material für eine bestimmte Zeit auf eine höhere Temperatur erhitzt und anschließend über einen festgelegten Zeitraum langsam wieder abgekühlt wird.

Das Spannungsarmglühen bietet mehrere Vorteile, darunter die Verringerung der Zugfestigkeit der Schweißnaht und die Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit an lokalen Kerben und Spannungskonzentratoren, während gleichzeitig die intergranulare Karbidausscheidung verstärkt wird. Die Spannungsentlastung kann jedoch durch unsachgemäße Kühlverfahren, Temperaturregelungen oder Schweißtechniken, die bei PWHT-Prozessen zum Einsatz kommen, beeinträchtigt werden; um optimale Ergebnisse zu erzielen, ist es unerlässlich, dass diese Faktoren während des Prozesses zum richtigen Zeitpunkt und bei den richtigen Temperaturen angewendet werden.

Anlassen

Niedriglegierte Kohlenstoffstähle erfordern eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT), um eine ausreichend feste und zähe Mikrostruktur zu erzielen. Bei diesem Verfahren wird das Bauteil über einen längeren Zeitraum auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und anschließend langsam wieder abgekühlt.

Veränderungen der metallurgischen Struktur können dazu beitragen, die Wahrscheinlichkeit von verzögertem Rissbildung zu verringern und die Duktilität zu erhöhen sowie die Korrosionsbeständigkeit von Schweißnähten ebenso wie die Zähigkeit, die Schlagzähigkeit und die Beständigkeit gegen spröde Brüche zu verbessern.

Die PWHT wird in der Regel mithilfe von regelbaren Vorwärm- und Heizsystemen durchgeführt, bei denen Thermoelemente strategisch so platziert sind, dass eine gleichmäßige Erwärmung ohne Verformung der Bauteile gewährleistet ist. Punktweises PWHT kann auch bei größeren Bauteilen wie Umfangsschweißnähten an Rohren oder Verschlussschweißnähten an langen Druckbehältern zum Einsatz kommen, obwohl die technische Umsetzung dieser Technik aufgrund von Schwankungen bei der Wärmeausdehnung, die zu erheblichen Verformungen führen könnten, eine größere Herausforderung darstellen kann.