Hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely

Hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely (PWHT) on prosessi, jonka tarkoituksena on poistaa ja jakaa uudelleen hitsauksen aikana syntyneet jäännösjännitykset sekä aikaansaada metallurgisia muutoksia, jotka parantavat lujuutta, sitkeyttä ja iskunkestävyyttä.

PWHT-käsittely voi olla teollisuuden standardien mukaan pakollista joidenkin paineastioissa käytettävien metallien osalta; sen tarpeellisuutta on kuitenkin arvioitava huolellisesti suhteessa sen kustannuksiin ja mahdollisiin haitallisiin vaikutuksiin materiaalin ominaisuuksiin.

Jäännösjännitykset

Hitsauksen aikana voi syntyä jäännösjännityksiä hitsausmateriaalin ja emomateriaalin välisten lämpötilaerojen vuoksi, ja ne voivat nousta kriittisille tasoille, mikä voi johtaa paksuseinäisten komponenttien halkeilemiseen tai jännityskorroosiomurtumiseen. Useimmissa paineastioita ja putkistoja koskevissa standardeissa määrätään, että hitsauskappaleille on suoritettava hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely (PWHT), jos ne ylittävät tietyt suunnittelun mukaiset myötöraja-arvot, jotta mahdollisia hauraita murtumia voidaan rajoittaa.

PWHT on prosessi, jonka tarkoituksena on poistaa tai jakaa uudelleen jäännösjännityksiä sekä edistää karkaisua, saostumista ja vanhenemista hitsausmetallissa, mikä lopulta parantaa sitkeyttä, taipuisuutta ja kestävyyttä jännityskorroosiomurtumia vastaan. Tehokkaan PWHT-prosessin toteuttamiseksi on kuitenkin syytä syventää ymmärrystä sen toimintamekanismeista.

Tämän saavuttamiseksi hyödynnetään äärellisten elementtien analyysiä (FEA) jännityskenttien simuloimiseksi sekä elastisissa että elastis-viskoplastisissa analyysimalleissa, joissa tarkastellaan eri seinämänpaksuuksilla varustettuja hitsausrakenteita. Lisäksi käytetään kattavaa virumismallinnusmenetelmää, jotta voidaan ymmärtää, miten plastinen venymä ja vastajännitys vaikuttavat jäännösjännityksen purkautumiseen.

Tulokset osoittavat, että PWHT-käsittelyllä voidaan saavuttaa tyydyttävä jäännösjännityksen väheneminen ja materiaaliominaisuuksien parantuminen laajalla valikoimalla hitsausrakenteiden materiaaleja, jolloin lopullinen vetolujuus saavuttaa käsittelyn jälkeen lähes suunnitteluarvon. Jatkotutkimuksissa tulisi keskittyä luomaan sopiva aika-lämpötila-paksuus-suhde paksummille hitsausrakenteille, joille suoritetaan PWHT-käsittely, jotta hauraaseen murtumiseen liittyvät riskit voidaan minimoida ja hitsausrakenteiden yleistä luotettavuutta parantaa.

Kovuus

Metallien kovuus on osoitus niiden mikrorakenteesta, ja sillä voi olla ratkaiseva vaikutus siihen, sopivatko hitsausmenetelmät tai lisäaineet tiettyihin käyttötarkoituksiin. Vaikka liian kovat mikrorakenteet ovat yleensä vähemmän taipuisia ja sitkeitä kuin pehmeämmät metallit, lämpökäsittelyä saatetaan joskus tarvita mekaanisten ominaisuuksien parantamiseksi tai halkeilualttiuden vähentämiseksi.

PWHT (Process Warm Heat Treatment) on lämpökäsittelymenetelmä, jota käytetään jäännösjännitysten poistamiseen sekä hitsin lujuuden, sitkeyden ja iskunkestävyyden parantamiseen. PWHT-käsittelyt voivat myös auttaa ehkäisemään lämpösyklien tai jännityskorroosion aiheuttamaa halkeilua; niiden tarve riippuu metallin tyypistä, paksuudesta ja mitoista sekä hitsausparametreistä ja käyttövaatimuksista.

Määräyksissä määrätään usein, että tietyn paksuuden ylittävät hitsausmateriaalit tai hitsausliitokset vaativat suojaavaa hitsauksen jälkeistä lämpökäsittelyä. Tämä johtuu siitä, että tietyt metallit ovat alttiimpia jännityskorroosiomurtumille tai niissä on suurempi riski hitsausliitoksen pettämiselle kuin muissa, kun taas tietyt hitsausmenetelmät tuottavat kovempia hitsauskerroksia kuin toiset.

Sitkeys

Hitsaus voi aiheuttaa jäännösjännityksiä, jotka yhdessä kuormitusjännitysten kanssa heikentävät materiaalin sitkeyttä. PWHT-nimellä tunnettu hallittu kuumennus- ja jäähdytysprosessi voi auttaa parantamaan mekaanisia ominaisuuksia, poistamaan jäännösjännityksiä sekä lisäämään hitsausliitosten lujuutta ja kovuutta; sen tarpeellisuus riippuu useista tekijöistä, kuten hitsausparametreista ja käyttövaatimuksista; murtumismekaniikka-analyysi, jossa käytetään oletettuja jännitystasoja ja vikakokoja, voi auttaa selvittämään, tarvitaanko PWHT-käsittelyä.

Kehitettiin yksinkertainen malli, jolla lasketaan tiettyjen materiaalien ja poikkileikkauksen paksuuden vaadittu vähimmäisiskunkestävyys. Murtolujuusvaatimukset (K mat) arvioitiin sitten kahdelle eri vikaantumistodennäköisyydelle, P f = 0,05 ja P f = 0,5, käyttäen BS 7910 -standardin liitteessä J esitettyä murtolujuuden ja Charpy-energian välistä Master Curve -korrelaatiota.

Kuten alla olevista kuvista käy ilmi, analyysimme tulokset osoittavat, että jopa suhteellisen pieni PWHT-lämpötilan lasku voi alentaa merkittävästi K-mat-materiaalin arvioituja vähimmäisvaatimuksia. Tämä johtuu todennäköisesti siitä, että PWHT vähentää halkeaman kärjen rajoitusta ja parantaa halkeaman leviämistä sitkeän repeämisen avulla; lisäksi tulokset osoittavat, että PWHT voi myös parantaa dramaattisesti laserhitsattujen näytteiden iskulujuutta palauttamalla niiden alkuperäisen hauraan murtumistavan, jossa havaitaan käsittelemättömissä näytteissä esiintyviä jokimaisia kuvioita.

Vastuskyky

Duktiliteetti tarkoittaa materiaalin kykyä plastiseen muodonmuutokseen ennen murtumista rasituksen alaisena, toisin kuin elastinen muodonmuutos, joka palautuu rasituksen poistuttua. Duktiliteetti on keskeinen tekijä komponenttien suunnittelussa, sillä se osoittaa, kuinka suuren venymän komponentti kestää ennen murtumista; suurempi duktiliteetti merkitsee suurempaa todennäköisyyttä, että komponentti muodonmuuttuu äärimmäisten kuormitusten alaisena.

Materiaalien sitkeys riippuu suuresti niiden kemiallisesta koostumuksesta, kiderakenteesta ja testauslämpötilasta. Metallit ovat yleensä sitkeämpiä, sillä niiden metallisidokset mahdollistavat valenssikuoren elektronien jakamisen useiden atomien kesken, minkä ansiosta metalliatomit voivat liikkua helposti toistensa ohi samalla kun ne vaimentavat voimia, jotka saisivat muut materiaalit murtumaan.

Vaikka venyvyys liittyy läheisesti muovattavuuteen, venyvyys ja muovattavuus ovat kuitenkin erillisiä ominaisuuksia. Venyvyydellä tarkoitetaan metallin kykyä kestää vetovoimia, kun taas muovattavuudella tarkoitetaan sitä, kuinka hyvin se kestää vasaroinnin tai puristuksen aiheuttamia puristusjännityksiä. Molemmat ominaisuudet on otettava huomioon valittaessa materiaaleja tiettyihin käyttötarkoituksiin; erittäin sitkeitä materiaaleja, kuten kultaa, voidaan venyttää vain murtumiseen asti, kun taas vähemmän sitkeitä materiaaleja, kuten kuparia, voidaan venyttää vain hyvin ohuiksi ennen kuin ne katkeavat rasituksen alla.