溶接後の熱処理

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溶接後熱処理（PWHT）は、強度、延性、靭性を向上 させる冶金学的変化を生じさせると同時に、溶接 中に発生した残留応力を緩和、再分配するために設 計されたプロセスである。.

PWHTは、圧力機器に使用される金属によっては業界規範によって義務付けられている場合があります。しかし、その必要性は、コストや材料の特性への潜在的な悪影響と照らし合わせて慎重に評価されなければなりません。.

残留応力

残留応力は、溶接材料と母材間の温度勾配に起因 して溶接中に発生する可能性があり、臨界レベルに 達して肉厚部品の割れや応力腐食割れにつながるこ とがある。ほとんどの圧力容器および配管の規格は、脆性 破壊の可能性を抑制するため、溶接部が特定の 設計降伏強度のしきい値を超えた場合、溶接後熱処 理(PWHT)を行うことを規定している。.

PWHTは、残留応力を除去または再分配し、 溶接金属の焼戻し、析出、時効効果を促進し、 最終的に靭性、延性、耐応力腐食割れ性を向 上させるために考案されたプロセスである。しかし、効果的なPWHTプロセスのためには、そのメカニズ ムの理解を深める必要がある。.

これを実現するため、有限要素解析（FEA）を用いて、さまざまな肉厚の溶接部について、弾性解析モデルと弾塑性-粘塑性解析モデルの両方で応力場のシミュレーションを行った。また、塑性ひずみと背面応力が残留応力緩和にどのように寄与するかを理解するため、包括的なクリープ・モデリング・アプローチも採用しています。.

その結果、PWHTは、広範囲の溶接材料に おいて満足のいく残留応力低減と材料特性の向上 をもたらし、処理後の最終引張強さは設計値に近 いレベルに達することが示された。脆性破壊に関連するリスクを最小化し、溶接 部の全体的な信頼性を高めるために、PWHTを行 う厚い溶接部に対して適切な時間-温度-厚さの 関係を作り出すことに、さらなる研究が必要 である。.

硬度

金属の硬度は、その微細構造の指標であり、 特定の用途に溶接プロセスや金属フィラーが適し ているかどうかに劇的な影響を与えることがある。過度に硬い微細組織は、軟らかい金属よりも延 性と靭性に劣る傾向があるが、機械的特 性を向上させたり、割れ感受性を低下させたりするた めには、熱処理が必要になる場合がある。.

PWHT（プロセス温熱処理）は、残留応力を除去し、 溶接部の強度、延性、靭性を高めるために使用 される熱処理の一形態である。PWHTは、熱サイクルや応力腐食割れによる割れの 防止にも役立つ。PWHTの必要性は、金属の 種類、厚さ、寸法、および溶接パラメーターやサービ ス要件によって異なる。.

規格では、ある厚さを超える溶接材料または溶接 部材を保護するために、溶接後の熱処理が必要であ ると規定されていることが多い。これは、ある種の金属が他の金属より応力腐食 割れに対して脆弱であったり、溶接不良のリ スクが高かったりするためである。.

タフネス

溶接は、負荷応力と組み合わさって材料の靭性を 損なう残留応力を発生させる可能性がある。PWHTと呼ばれる制御された加熱と冷却の プロセスは、機械的特性を改善し、残留応力を緩和 し、溶接部の強度と硬度を高めるのに役立つ。.

特定の材料と断面厚さに対して最低限必要な靭性を計算する簡単なモデルが考案されました。次に、BS 7910の付属書Jの破壊靭性とシャルピーエネルギーの相関関係を用いて、P f = 0.05とP f = 0.5の2種類の破壊確率に対する破壊靭性要件(K mat)を推定しました。.

下の図に示すように、解析の結果、PWHT 温度を 比較的わずかに低下させるだけでも、K mat の推定最 低要求値を大幅に低下させることが明らかになりました。これは、き裂先端の拘束を減少させ、延性引き裂きによるき裂進展を改善するPWHTの効果によるものと思われます。さらに、PWHTは、未処理のサンプルで観察された河川パターンを持つ元の脆性破壊モードを回復させることによって、レーザー溶接サンプルの衝撃靭性を劇的に改善することができることも、この結果から実証されています。.

延性

延性とは、応力が加わると亀裂が入る前に材料が塑性変形する能力のことで、応力が解放されると変形が反転する弾性変形とは対照的です。延性は、部品が破損するまでにどれだけのひずみに耐えることができるかを示すため、部品を設計する際に不可欠な要素である。.

材料の延性は、その化学組成、結晶構造、試験温度に大きく依存する。金属は、その金属結合によって複数の原子間で価電子殻の電子を共有できるため、他の材料では粉々になるような力を吸収しながらも、金属原子同士を容易に行き来させることができ、より大きな延性を示す傾向がある。.

延性と可鍛性は密接に関連していますが、異なる特性であることに変わりはありません。延性とは、金属が引っ張られて伸びる力に耐える能力のことで、可鍛性とは、ハンマーやプレスによって生じる圧縮応力にどれだけ耐えられるかを意味する。金のような延性の高い材料は、破断するまで引き伸ばすことができますが、銅のような延性の低い材料は、ひずみで破断する前に非常に小さな厚さまでしか引き伸ばすことができません。.