Mikä on hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely (PWHT) ja miksi se on välttämätön hitsauksessa?

Hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely (PWHT) on hallittu prosessi, jossa hitsatut materiaalit lämmitetään uudelleen kriittisen muuttumislämpötilan alapuolelle ja pidetään siinä lämpötilassa ennalta määrätyn ajan. PWHT on olennainen vaihe hitsausprosesseissa, ja monissa standardeissa hitsauksen jälkeiset lämpökäsittelyt on määritelty pakollisiksi vaiheiksi.

Määritelmä

Hitsaus aiheuttaa materiaaleihin suuria jäännösjännityksiä, jotka yhdessä kuormitusjännitysten kanssa voivat ylittää materiaalien suunnittelurajat. Tämän seurauksena hitsatut rakenteet ovat alttiimpia vetyperäisille halkeamille ja jännityskorroosiomurtumille; tämän riskin vähentämiseksi käytetään usein hitsauksen jälkeistä lämpökäsittelyä (PWHT).

PWHT (hitsauskohdan lämpökäsittely) tarkoittaa hitsauskappaleen lämmittämistä optimaaliseen lämpötilaan ja sen jälkeistä jäähdyttämistä, jolloin kussakin lämpötilassa vietetty aika vaihtelee paikallisten lakien ja materiaalin teknisten vaatimusten mukaan. PWHT ei ainoastaan vähennä jäännösjännityksiä, vaan se voi myös auttaa parantamaan hitsauskappaleiden sitkeyttä ja taipuisuutta.

Hitsausrakenteet, jotka vaativat korkeita jälkilämmityslämpötiloja, tarvitsevat asianmukaista tukea lämpökäsittelyn aikana. Komponentille erityisesti muotoillut tukipalkit voivat tarjota tämän tuen, ja ne voidaan sijoittaa säännöllisin välimatkoin rakenteen varrelle, jotta voidaan hallita lämpögradienttia jälkilämmityksen kohteena olevien osien ja vielä kylmien osien välillä.

PWHT-vaatimukset riippuvat yleensä materiaalin kemiallisesta koostumuksesta ja paksuudesta; ASME:n osassa VIII se on pakollista tietyntyyppisille materiaaleille, kun niiden paksuus ylittää tietyn rajan, kun taas muissa tapauksissa vaatimukset riippuvat siitä, millaiseen käyttöön rakenne on tarkoitettu – esimerkiksi ydinvoimalaitoksissa on noudatettava tiukkoja turvallisuus- ja luotettavuusstandardeja komponenttien hitsauksessa.

Merkitys

Hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely (PWHT) on prosessi, jolla muutetaan hitsauskohtien mikrorakennetta jäännösjännitysten vähentämiseksi ja lujuuden parantamiseksi sekä vetyyn liittyvien halkeamien ja jännityskorroosiohalkeamien riskien pienentämiseksi hitsausliitoksissa. PWHT:tä tulisi pitää hitsausprosessien olennaisena vaiheena, jotta laitteiden turvallinen käyttö voidaan taata.

PWHT:n tarve riippuu useista tekijöistä, kuten materiaalin tyypistä ja paksuudesta sekä mahdollisuudesta vetyperäiseen halkeiluun ja jännityskorroosiohalkeiluun. PWHT voi olla määräysten tai standardien mukaan pakollista materiaalin kemiallisen koostumuksen perusteella eikä pelkästään paksuuden perusteella.

Hitsausprosessin aikana hitsausmetallin ja perusmetallin välille syntyy lämpötilagradientti, joka aiheuttaa hitsausmetalliin jännitystä, joka voi lopulta ylittää suunnittelurajat. PWHT-käsittely tarjoaa mahdollisuuden vähentää tätä sisäistä jännitystä lämmittämällä hitsausmetallia pitkään tietyssä lämpötilassa.

Vaikka PWHT-käsittely voi vähentää jäännösjännityksiä tehokkaasti, sen käyttö voi osoittautua vaaralliseksi, ellei kappaletta tueta asianmukaisesti kuumennusprosessin aikana. Jos jokin komponentti ei kykene kantamaan omaa painoaan PWHT-lämpötiloissa, sille on järjestettävä asianmukainen tuki sen muotoon ja tilaan sopivilla tukipalkkeilla; rakenteen eri osien välisestä lämpölaajenemisen erosta voi seurata liiallista vääntymistä.

Soveltamisala

Hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely (PWHT) on hallittu prosessi, jossa hitsattu materiaali kuumennetaan sen alemman kriittisen faasimuutoksen lämpötilan yläpuolelle ja pidetään siinä lämpötilassa pidemmän aikaa. PWHT:n ensisijaisena tavoitteena on lieventää jäännösjännityksiä ja tasapainottaa hitsausalueen mikrorakennetta, jotta materiaalin alttius halkeilulle, väsymiselle ja korroosiolle vähenee.

PWHT-testaus on usein välttämätöntä paineastioita ja putkistoja suunniteltaessa, sillä alan standardit, kuten ASME:n paineastia- ja putkistostandardit, edellyttävät sen suorittamista tietyille materiaaleille, jotta varmistetaan turvalliset rakenteet, joilla on optimaaliset mekaaniset ja metallurgiset ominaisuudet.

PWHT-käsittely voi olla tarpeen materiaalin kemiallisen koostumuksen ja paksuuden sekä komponentin käyttöolosuhteiden mukaan. PWHT-käsittely on tehokas keino lieventämään hitsauksen aikana syntyneitä jäännösjännityksiä sekä suuntaamaan hitsausmetallia uudelleen, mikä parantaa hitsausalueen sitkeyttä, lujuutta ja murtolujuutta.

Stressitasojen noustessa myös PWHT-käsittelyyn kohdistuvat vaatimukset kasvavat. Hitsausjännitysten lieventyminen riippuu sekä ajasta että lämpötilasta PWHT-käsittelyjaksojen aikana; vääristymien, karkaisun aiheuttaman haurauden ja liiallisen pehmenemisen minimoimiseksi sekä menetelmän etujen hyödyntämiseksi ilman, että testatut mekaaniset ominaisuudet heikkenevät, lämmitys- ja jäähdytysnopeuksia, toleransseja ja pitoaikoja on hallittava asianmukaisesti, jotta menetelmän kaikki edut voidaan hyödyntää.

Terminologia

Hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely (PWHT), joka tunnetaan myös nimellä hitsauksen jälkeinen lämpökonditionointi, on menetelmä, jonka tarkoituksena on poistaa ja tasapainottaa hitsausprosessien aiheuttamia jäännösjännityksiä sekä hitsauksen itsessään materiaaliin aiheuttamia mikrorakenteellisia muutoksia. PWHT:tä voidaan käyttää myös kovuuden säätelyyn tai mekaanisen lujuuden parantamiseen – se on olennainen osa useimpia hitsausmenettelyjä, ja sitä vaaditaan usein teollisuuden standardeissa, kuten ASME:n paineastioita ja putkistoja koskevissa standardeissa.

PWHT auttaa ehkäisemään vedyn aiheuttamaa halkeilua (HIC) diffundoimalla ympäristössä olevaa vetyä hitsaussaumaan ja lisäämällä liitoksen kokonaislujuutta.

PWHT (painepesulämpökäsittely) on toinen menetelmä, jota käytetään vähentämään hitsaussaumojen jännityskorroosiomurtumien riskiä lämmittämällä ja jäähdyttämällä niitä asteittain alle kriittisen faasimuutoksen lämpötilan, jolloin hitsaussauman jännitystasot laskevat vähitellen. PWHT on olennainen osa kaikkia hitsausmenetelmän kelpoisuusmäärityksiä – mikä tahansa muutos sen lämpötila- tai pitoaikavaatimuksiin edellyttää uudelleensertifiointia; samoin sillä on keskeinen rooli hitsattaessa säiliöiden saumoja, joissa on yhdistettyjä ura- ja kulmahitsauksia, jotka tuottavat usein suurempia jäännösjännityksiä kuin yksittäiset ura- tai kulmahitsaukset, mikä johtuu hitsausmetallin suuremmasta tilavuudesta verrattuna pelkkiin ura- tai kulmahitsauksiin.