Hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely ja jännityksenpoisto

Hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely (Post-Weld Heat Treatment, PWHT) on tärkeä prosessi, jota käytetään teräskomponenttien sisäisten jännitysten vähentämiseen ja lujuuden parantamiseen sekä materiaalien halkeilun ja hauraiden murtumien estämiseen.

PWHT (Pressure Wash Heating & Torching) tarkoittaa materiaalin lämmittämistä kriittisen muodonmuutoslämpötilan alapuolelle ja sen jälkeen sen antamista jäähtyä tasaisesti tietyn ajan kuluessa. Halutun lopputuloksen saavuttamiseksi voidaan käyttää erilaisia PWHT-lämpötiloja ja liotusaikoja.

Sisäisten jännitysten vähentäminen

Hitsaus voi aiheuttaa materiaaliin suuria sisäisiä jännityksiä, jotka heikentävät sen murtumiskestävyysominaisuuksia ja lisäävät sen alttiutta jännityskorroosiohalkeilulle (SCC). PWHT on tehokas lämpökäsittelyprosessi näiden jäännösjännitysten vähentämiseksi; siinä hitsausaluetta lämmitetään alle sen muutosalueen ja jäähdytetään sitten hitaasti sisäisten jännitysten vähentämiseksi ja samalla parannetaan hitsausliitosten mekaanisia ominaisuuksia.

Hitsauksen jälkeistä lämpökäsittelyä (PWHT) edellytetään yleensä säännöissä painelaitteille, joiden paksuus ylittää tietyt raja-arvot, ja sitä käytetään myös rakenneosien, kuten säiliöiden, astioiden ja putkistojen, suojaamiseen. Kun määritetään, tarvitaanko hankkeessa PWHT-hitsausta, on otettava huomioon useita tekijöitä, kuten materiaalityyppi, lämpötilavaatimukset ja liotusaika.

PWHT-menetelmää käytetään usein mittatoleranssin palauttamiseksi ja epätasaisten lämmitys- ja jäähdytysolosuhteiden aiheuttaman vääristymän minimoimiseksi. Hitsattu metalli voi jäähtyä eri nopeudella kuin ympäröivä perusmetalli, mikä johtaa epätasaisesti jakautuneisiin jännityksiin, joita on lievennettävä vääristymien minimoimiseksi. Jännityksenpoisto poistaa ja jakaa nämä jännitykset uudelleen vääristymien minimoimiseksi.

PWHT voi myös vähentää vedyn aiheuttamaa halkeilua (HIC). HIC syntyy, kun sitkeät metallit altistuvat vetojännitykselle happamassa ympäristössä ja joutuvat jännitykseen, mikä tekee diagnosoinnista ja hoidosta haastavaa. PWHT voi auttaa vähentämään HIC:n esiintymistä lievittämällä SCC:tä aiheuttavia vetojännityksiä.

Kovuuden vähentäminen

Hitsaus voi aiheuttaa materiaaleihin sisäisiä jännityksiä, jotka johtavat jännityskorroosioon ja vedyn aiheuttamaan halkeiluun, ja tämän riskin poistamiseksi käytetään usein hitsauksen jälkeistä lämpökäsittelyä (PWHT). PWHT toimii kuumentamalla materiaalia pitkään ja jäähdyttämällä se sitten vähitellen takaisin. Lisäksi se vähentää kovuutta, mikä helpottaa hitsaajien työskentelyä.

Lämpötila ja kesto riippuvat hitsattavasta materiaalista, käytettävästä hitsausprosessista ja halutusta lopputuloksesta. Jotta PWHT olisi tehokasta, on välttämätöntä, että käytetään asianmukaisia laitteita ja tiloja, kuumennetaan riittävän kauan hyväksyttävässä lämpötilassa ja jäähdytysnopeutta ohjataan vastaavasti.

Virheelliset tai huolimattomat PWHT-menettelyt voivat aiheuttaa jäännösjännitysten yhdistymisen kuormitusjännityksiin ja materiaalin suunnittelurajojen ylittämisen, mikä johtaa hitsausvirheisiin, suurempaan halkeilumahdollisuuteen ja alttiuteen haurasmurtumille. Tämä voi lopulta aiheuttaa hitsaushäiriöitä.

PWHT voi auttaa lieventämään tällaisia ongelmia, ja se tarjoaa useita etuja prosessissa. Se voi esimerkiksi vähentää metallin kovuutta, mikä helpottaa sen käsittelyä. Lisäksi PWHT voi auttaa lieventämään vedyn aiheuttamaa halkeilua poistamalla absorboituneen vedyn, joka voi edistää vedyn aiheuttamaa halkeilua tietyissä hitsausprosesseissa.

Lisääntynyt vahvuus

Jännityksenpoisto on usein säännöissä edellytetty tehokas tapa lievittää teräskomponenttien sisäisiä jännityksiä hitsauksen jälkeen. Tämä käytäntö auttaa parantamaan lujuutta ja välttämään halkeilua dynaamisissa kuormitusolosuhteissa; lisäksi jännityksenpoiston ansiosta hitsaussaumat säilyttävät muovattavuutensa ja sitkeytensä.

Prosessissa hitsausalue kuumennetaan tiettyyn lämpötilaan ennen sen jäähdyttämistä, mikä vähentää jännityksiä ja jakaa ne uudelleen tasaisesti koko metalliin, parantaa kovuutta ja sitkeyttä, mikä lisää väsymiskestävyyttä ja auttaa lieventämään vedyn aiheuttamaa halkeilua tietyissä teräslaaduissa.

Käsiteltävän materiaalin ja hitsin tyypin mukaan voidaan käyttää erilaisia lämpökäsittelymenetelmiä, kuten hehkutus, karkaisu, sammutus ja normalisointi. Jokaisella menetelmällä on omat hyötynsä ja haittansa, joten on tärkeää käyttää sopivaa menetelmää ja noudattaa suositeltuja aika/lämpötilaparametrejä.

Jäännösjännityksen purkumekaniikkaa koskeva tutkimus on tuottanut vaihtelevia ja usein käsittämättömiä tuloksia, mikä tekee tulkinnasta ennakoitua haastavampaa. On edelleen epäselvää, onko plastisella muodonmuutoksella, joka ilmenee myötölujuuden ja Youngin moduulin muutoksina, osuutta jännityksen relaksaatioon, ja tällä hetkellä PWHT-lämpötilan ja pitoajan välillä ei ole kvantitatiivista suhdetta, joka tuottaisi toivottuja tuloksia.

Väsymissäröjen vähentäminen

Hitsauksesta johtuvat jännitykset voivat heikentää komponentin pitkän aikavälin suorituskykyä ja aiheuttaa väsymissäröjä, mutta jännityksenpoisto voi lievittää tätä huolta poistamalla hitsauksesta johtuvat jännitykset ja tekemällä komponentista kestävämmän väsymismurtumia vastaan syklisissä kuormituksissa. Lisäksi jännityksenpoisto mahdollistaa materiaalien karkaisu-, saostumis- tai vanhenemisprosessien tapahtumisen, mikä saattaa parantaa sitkeyttä ja vähentää haurasmurtumariskiä.

PWHT tarkoittaa kappaleen lämmittämistä yli sen muuntolämpötilan määrätyn ajanjakson ajan. Tämä luo lämpötilagradientin, joka saa sisäiset jännitykset hellittämään, mikä auttaa ehkäisemään jännityskorroosiota ja vedyn aiheuttamaa halkeilua ja samalla vähentää hitsin herkkyyttä käytönaikaisille kuormituksille. PWHT voi olla tarpeen, kun työskennellään monimutkaisten valmisteiden tai valukappaleiden parissa, joissa on tiukat mittatoleranssit ja kriittiset kuormitukset, jotka on otettava erityisesti huomioon hitsaus- tai valuprosessien aikana.

Tutkimukset ovat osoittaneet, että tasainen PWHT voi tuottaa merkittävää jäännösjännityksen lieventymistä tietyissä hitsisaumoissa, ja vaihtelut riippuvat useista tekijöistä, kuten materiaalin ominaisuuksista, geometriasta ja hitsisaumojen koosta. Virumismuodon kehittymisellä on paljon suurempi merkitys kuin plastisella muodonmuutoksella uuniin perustuvissa tasaisissa PWHT-prosesseissa - ja suurin osa virumismuodon kehittymisestä tapahtuu ennen PWHT-pitoaikojen alkamista; näin ollen on epätodennäköistä, että lyhyemmällä PWHT-pitoaikojen pitoajalla voitaisiin saavuttaa samanlaisia jännityksenpoistovaikutuksia kuin pitkällä pitoajalla.