Hitsauksen jälkeisen lämpökäsittelyn numeerinen simulointi

Painelaitteissa hitsauksen aiheuttamat jäännösjännitykset voivat aiheuttaa valmistusvirheitä ja lisätä haurasmurtumia alhaisen rasituksen aikana. Numeerisesta simuloinnista on tullut korvaamaton keino ennustaa, mihin nämä jäännösjännitykset kertyvät ajan mittaan.

Simulointitulokset poikkeavat usein paikan päällä tehdyistä testeistä, koska huippulämpötilassa vietetty aika on erilainen.

Lämpötilan vaikutus

Tehokas menetelmä painelaitteiden mekaanisen suorituskyvyn arvioimiseksi on simuloitu jännitystä lievittävä lämpökäsittely (SPWHT). Siinä komponentteja kuumennetaan tiettyyn lämpötilaan pitkäksi aikaa, minkä jälkeen ne jäähdytetään hitaasti takaisin. SPWHT-käsittelyllä voidaan tehokkaasti lieventää heterogeenisuutta ja jännityksiä hitsatuissa komponenteissa ja lisätä samalla sitkeyttä ja sitkeyttä.

PWHT-prosessit voivat kuitenkin aiheuttaa myös haitallisia mikrorakennemuutoksia hitsattujen komponenttien karkearakeisella lämpövaikutteisella vyöhykkeellä (CGHAZ) käsittelyn aikana, mikä johtaa murtumissitkeyden heikkenemiseen ja väsymisvaurioihin. Siksi on ratkaisevan tärkeää, että ymmärrämme täysin sen vaikutuksen CGHAZ:n mikrorakenteeseen ja mekaanisiin ominaisuuksiin ennen PWHT-prosessin aloittamista.

SPWHT-simulointi tarjoaa tehokkaan ja kustannustehokkaan keinon arvioida toistuvien PWHT-syklien vaikutuksia perusmetallin mekaanisiin ominaisuuksiin. Valitettavasti nykyisissä simuloinneissa käytetään usein yksinkertaistettuja kvalitatiivisia lähestymistapoja ja epätarkkoja virumiskonstitutiivisia malleja, joissa ei oteta huomioon lämpötilan ja jännitystilan vaikutusta jäännösjännityksiin.

Ajan vaikutus

PWHT-hitsausten kesto jännityksenpoisto- ja karkaisulämpötilojen saavuttamiseksi on usein niin pitkä, että se aiheuttaa rakenneosien vääristymiä tai romahtamista, minkä vuoksi hitsauksen jälkeiset lämpökäsittelyt on normalisoitava vain sellaisissa rakenteissa, jotka kestävät näin korkeita lämpötiloja, kuten suurista ja monimutkaisista muodoista koostuvissa rakenteissa, kuten paineastioissa, joissa on hitsin kuperat päät. Rakenteellisen eheyden suojaamiseksi näiden korkeiden lämpötilakäsittelyjen aikana vain sellaiset rakenteet, jotka kykenevät kantamaan itsensä, on käsiteltävä lämpökäsittelyillä, mikä voi osoittautua haastavaksi, kun kyseessä ovat suuret rakenteet, kuten paineastiat, jotka tarvitsevat tällaisia käsittelyjä.

Röntgendiffraktio- ja reikäporaustekniikoilla voidaan mitata vain pinnan jäännösjännityksiä, mutta niiden dynamiikkaa ei voida dokumentoida lämmitys-, säilytys- ja jäähdytysjaksojen aikana. Tämän käyttäytymisen perustavanlaatuinen ymmärtäminen on olennaista PWHT-syklien optimoimiseksi tietyille materiaaleille, kuten Zircaloy-4:lle, jossa yksi PWHT-sykli yksinään voi alentaa poikittaisia ja pitkittäisiä jäännösjännityksiä jopa 140 MPa:lla; tämän vaikutuksen aikaansaaminen edellyttää venymän relaksaatiokäyttäytymisen tutkimista eri lämpötiloissa ja pitoajoissa.

Paineen vaikutus

Rajallisten testausmenetelmien ja kustannussyiden vuoksi painelaitteiden hitsauksen jälkeistä lämpökäsittelyä on tutkittava ensisijaisesti numeerisen simuloinnin avulla. Tämän vuoksi on erittäin tärkeää valita sopiva ja luotettava virumismalli tarkkojen simulointitulosten saamiseksi.

Painesäiliöteräksen hitsiaine (HAZ) käy läpi monimutkaisen lämmitys-jäähdytyssyklin osana hitsauksen lämpösykliä, joka johtaa merkittäviin muutoksiin hitsiaineen (HAZ) mikrorakenteessa ja mekaanisissa ominaisuuksissa. Nämä muutokset voivat johtaa iskunkestävyyden ja vetolujuuden heikkenemiseen sekä viivästyneeseen halkeiluun sen HAZ:ssa.

Tutkijat ovat kehittäneet PWHT:n lähestymistavaksi parantaa hitsattujen rakenteiden suorituskykyä lieventämällä hitsausjännityksiä ja vähentämällä halkeiluriskiä [1, 2]. PWHT-käsittelyssä komponentteja lämmitetään ihanteelliseen lämpötila-alueeseen, minkä jälkeen niitä pidetään sopivan ajan ja jäähdytetään hitaasti - tämä käsittely parantaa hitsin mikrorakennetta, vähentää jäännösjännityksiä ja helpottaa vetyä vapautuvan diffuusin vedyn vapautumista.

Ympäristön vaikutus

Hitsauksen jälkeistä lämpökäsittelyä (PWHT) voidaan simuloida eri tavoin. Joissakin simuloinneissa muutetaan lämpötilaa ja kestoa, toisissa tutkimuksissa tarkastellaan ympäristön vaikutusta PWHT:hen, ja joissakin tutkimuksissa tutkitaan jopa virumista kuumennusvaiheen aikana, mikä johtaa parempaan käsitykseen jäännösjännityksen kehittymisestä PWHT-prosessin aikana.

Toinen tärkeä seikka epäjalojen metallien lämpökäsittelyssä on se, miten se vaikuttaa niiden mekaanisiin ominaisuuksiin, sillä kemiallisella koostumuksella on suuri vaikutus lujuuteen ja sitkeyteen PWHT-käsittelyn jälkeen. Simuloidut PWHT-käsittelyt voivat auttaa tunnistamaan optimaaliset lämpökäsittelyolosuhteet mille tahansa levymateriaalille.

Hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely on olennainen vaihe hitsattaessa korroosiota aiheuttavia komponentteja, kuten öljynporauslauttoja ja nesteytetyn maakaasun käsittelylaitoksia, joiden on kestettävä ankarissa olosuhteissa. Siinä hitsausaluetta kuumennetaan pitkään tiettyyn lämpötila-alueeseen, minkä jälkeen se jäähdytetään hitaasti hitsauksen aiheuttamien jäännösjännitysten vähentämiseksi ja viivästyneelle halkeilulle altistumisen estämiseksi.