Die Wahrheit über die Wärmebehandlung nach dem Schweißen: Pro und Kontra

Schweißeigenspannungen werden durch ungleichmäßige Temperaturverteilung in den geschweißten Teilen, thermische Ausdehnung und Kontraktion des Schweißguts usw. verursacht, so dass bei der Schweißkonstruktion zwangsläufig Eigenspannungen entstehen.

Die gebräuchlichste Methode zur Beseitigung von Eigenspannungen ist das Hochtemperaturanlassen, d. h. das Erhitzen der geschweißten Teile auf eine bestimmte Temperatur und das Halten der Teile für eine bestimmte Zeit in einem Wärmebehandlungsofen.

Durch die Herabsetzung der Fließgrenze des Materials bei hohen Temperaturen kommt es in Bereichen mit hohen Eigenspannungen zu plastischem Fließen, die elastische Verformung nimmt allmählich ab und die plastische Verformung nimmt allmählich zu, wodurch die Spannung verringert wird.

1. Auswahl der Wärmebehandlungsmethode

Die Auswirkung der Wärmebehandlung nach dem Schweißen auf die Zugfestigkeit und die Kriechgrenze von Metallen hängt von der Temperatur und der Haltezeit der Wärmebehandlung ab. Die Kerbschlagzähigkeit des Schweißguts nach der Wärmebehandlung variiert bei verschiedenen Stahlsorten.

Im Allgemeinen wird für die Wärmebehandlung nach dem Schweißen ein einfaches Hochtemperaturanlassen oder ein Normalisieren plus Hochtemperaturanlassen gewählt. Bei Gasschweißverbindungen wird die Wärmebehandlung Normalisieren plus Hochtemperaturanlassen angewendet, da die Körner in der Schweißnaht und Wärmeeinflusszone des Gasschweißens sind grob und müssen durch Normalisierung verfeinert werden.

Eine einzige normalisierende Behandlung kann jedoch nicht die EigenspannungDaher ist ein Anlassen bei hoher Temperatur erforderlich, um Spannungen zu beseitigen. Das einfache Zwischenanlassen eignet sich nur für das Montageschweißen von großen Behältern aus gewöhnlichem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt auf der Baustelle, um Eigenspannungen teilweise zu beseitigen und Wasserstoff zu entfernen.

In den meisten Fällen wird ein einfaches Hochtemperatur-Anlassen gewählt. Die Erwärmung und Abkühlung während der Wärmebehandlung sollte nicht zu schnell erfolgen, und sowohl die Innen- als auch die Außenwände sollten gleichmäßig erwärmt werden.

2. Wärmebehandlungsverfahren für Druckbehälter

Es gibt zwei Arten von Wärmebehandlungsverfahren für Druckbehälter: eine Wärmebehandlung zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT).

Allgemein gesagt ist die PWHT eine Wärmebehandlung, die an der geschweißten Stelle oder den geschweißten Komponenten nach dem Schweißen des Werkstücks durchgeführt wird.

Spezifischer Inhalt: Stressabbau GlühenVollglühen, Mischkristallbehandlung, Normalisieren, Normalisieren und Anlassen, Anlassen, Spannungsabbau bei niedrigen Temperaturen, Ausscheidungsbehandlung usw.

Im engeren Sinne bezieht sich die PWHT nur auf das Spannungsarmglühen, bei dem der geschweißte Bereich und die damit verbundenen Teile gleichmäßig und ausreichend unter die Phasenübergangstemperatur des Metalls erwärmt werden, um die Leistung des geschweißten Bereichs zu verbessern und die schädlichen Auswirkungen der Schweißeigenspannung zu beseitigen, gefolgt von einer gleichmäßigen Abkühlung.

In vielen Fällen ist die für die PWHT diskutierte Wärmebehandlung im Wesentlichen ein Spannungsarmglühen nach dem Schweißen.

3. Ziele der Wärmebehandlung nach dem Schweißen

(1) Entspannen Schweißeigenspannung.

(2) Stabilisieren Sie die Form und Größe der Struktur, reduzieren Sie die Verzerrung.

(3) Verbesserung der Leistung des Grundmetalls und Schweißnähte, einschließlich:

• a. Verbesserung der Plastizität des Schweißgutes.
• b. Verringern Sie die Härte der hitzebeeinflussten Zone.
• c. Verbesserung der Bruchzähigkeit.
• d. Verbessern Sie Ermüdungsfestigkeit.
• e. Wiederherstellung oder Verbesserung der Streckgrenze während der Kaltverformung reduziert.

(4) Verbesserung der Beständigkeit gegen Spannungskorrosion.

(5) Weitere Freisetzung schädlicher Gase, insbesondere Wasserstoff, im Schweißgut, um eine verzögerte Rissbildung zu verhindern.

4. Bewertung der Notwendigkeit einer PWHT

Ob bei Druckbehältern eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen erforderlich ist, sollte in der Konstruktion eindeutig festgelegt werden, und die aktuellen Konstruktionsnormen für Druckbehälter enthalten entsprechende Anforderungen.

Der geschweißte Bereich eines Druckbehälters weist erhebliche Eigenspannungen auf, und die nachteiligen Auswirkungen von Eigenspannungen treten nur unter bestimmten Bedingungen auf. Wenn sich die Eigenspannung mit Wasserstoff in der Schweißnaht verbindet, führt dies zu einer Verhärtung der Wärmeeinflusszone und damit zum Auftreten von Kaltrissen und verzögerten Rissen.

Die in der Schweißnaht vorhandene statische Spannung oder die dynamische Belastung während des Betriebs kann in Verbindung mit der Korrosion des Mediums zu Spannungsrisskorrosion führen, die als SCC bezeichnet wird.

Die Schweißeigenspannung und die durch das Schweißen verursachte martensitische Härtung sind wichtige Faktoren für die Entstehung von Spannungsrisskorrosion.

Forschungsergebnisse haben gezeigt, dass die Hauptauswirkung von Verformung und Eigenspannung auf metallische Werkstoffe darin besteht, gleichmäßige Korrosion in örtlich begrenzte Korrosion umzuwandeln, nämlich in interkristalline oder transkristalline Korrosion. Natürlich treten sowohl Risskorrosion als auch interkristalline Korrosion in Medien auf, die bestimmte Eigenschaften für das jeweilige Metall aufweisen.

Bei Vorhandensein von Eigenspannungen kann sich die Art des Korrosionsschadens in Abhängigkeit von der unterschiedlichen Zusammensetzung, Konzentration und Temperatur des korrosiven Mediums sowie von Unterschieden in der Zusammensetzung, dem Gefüge, dem Oberflächenzustand und dem Spannungszustand zwischen dem Grundwerkstoff und dem geschweißten Bereich ändern.

Ob bei geschweißten Druckbehältern eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen erforderlich ist, sollte unter Berücksichtigung des Zwecks und der Größe des Behälters (insbesondere der Dicke der Wandplatte), der Leistungsfähigkeit der verwendeten Werkstoffe und der Arbeitsbedingungen entschieden werden. Wenn eine der folgenden Situationen eintritt, sollte eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen in Betracht gezogen werden:

• Behälter, die unter rauen Bedingungen arbeiten, z. B. solche, bei denen die Gefahr von Sprödbruch bei niedrigen Temperaturen besteht, dickwandige Behälter, die schweren und wechselnden Belastungen ausgesetzt sind.
• Geschweißte Druckbehälter mit einer Dicke, die einen bestimmten Grenzwert überschreitet, einschließlich Kesseln, petrochemischen Druckbehältern usw., für die spezielle Vorschriften und Normen gelten.
• Druckbehälter mit hohen Anforderungen an die Formstabilität.
• Gefäße aus Stählen mit hoher Härtungsneigung.
• Druckbehälter, bei denen die Gefahr der Spannungsrisskorrosion besteht.
• Andere Druckbehälter mit speziellen Vorschriften, Spezifikationen und Zeichnungen.

Eigenspannungen, die die Streckgrenze erreichen, bilden sich in der Nähe der Schweißnaht in geschweißten Druckbehältern aus Stahl. Die Entstehung dieser Spannung hängt mit der Umwandlung der austenithaltigen Struktur zusammen.

Viele Forscher haben darauf hingewiesen, dass ein Anlassen bei 650 °C die Eigenspannungen nach dem Schweißen von geschweißten Druckbehältern aus Stahl wirksam beseitigen kann.

Gleichzeitig wird davon ausgegangen, dass ohne eine angemessene Wärmebehandlung nach dem Schweißen keine korrosionsbeständige Schweißverbindung erzielt werden kann.

Es wird allgemein angenommen, dass sich die Spannungsarmglühung auf den Prozess bezieht, bei dem das geschweißte Werkstück auf 500-650°C erhitzt und dann langsam abgekühlt wird. Der Spannungsabbau ist auf das Kriechen bei hohen Temperaturen zurückzuführen, das bei Kohlenstoffstahl bei 450 °C und bei molybdänhaltigem Stahl bei 550 °C beginnt.

Je höher die Temperatur, desto leichter lassen sich Spannungen abbauen. Sobald jedoch die ursprüngliche Anlasstemperatur des Stahls überschritten wird, nimmt die Festigkeit des Stahls ab. Daher ist es notwendig, sowohl die Temperatur als auch die Zeit bei der spannungsabbauenden Wärmebehandlung zu kontrollieren.

Allerdings ist in der Eigenspannung der Schweißnaht bestehen immer Zug- und Druckspannungen nebeneinander, und Spannung und elastische Verformung treten gleichzeitig auf.

Wenn die Temperatur des Stahls steigt, nimmt die Streckgrenze ab, und die ursprüngliche elastische Verformung wird zu einer plastischen Verformung, was zu einer Spannungsrelaxation führt.

Je höher die Erhitzungstemperatur ist, desto vollständiger können die inneren Spannungen beseitigt werden. Ist die Temperatur jedoch zu hoch, wird die Oberfläche des Stahls stark oxidiert.

Darüber hinaus wird bei einer PWHT-Temperatur von abgeschreckt und vergütet Stählen sollte der Grundsatz gelten, die ursprüngliche Anlasstemperatur des Stahls nicht zu überschreiten, die im Allgemeinen etwa 30 Grad unter der ursprünglichen Anlasstemperatur des Stahls liegt.

Andernfalls verliert das Material seinen Abschreckungseffekt, und die Festigkeit und Bruchzähigkeit nehmen ab. Diesem Punkt sollten die Mitarbeiter der Wärmebehandlung besondere Aufmerksamkeit schenken.

Je höher die Temperatur bei der Wärmebehandlung nach dem Schweißen zum Spannungsabbau ist, desto stärker wird der Stahl erweicht, in der Regel bis zur Rekristallisationstemperatur des Stahls erhitzt, und die inneren Spannungen können beseitigt werden. Die Rekristallisationstemperatur ist eng mit der Schmelztemperatur verbunden.

Im Allgemeinen ist die Rekristallisationstemperatur K = 0,4X Schmelztemperatur (K). Je näher die Wärmebehandlungstemperatur an der Rekristallisationstemperatur liegt, desto effektiver ist der Eigenspannungsabbau.

4. Betrachtung der Gesamtwirksamkeit der PWHT

Eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen ist nicht immer vorteilhaft. Im Allgemeinen ist eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen vorteilhaft, um Eigenspannungen abzubauen, und wird nur in Fällen durchgeführt, in denen strenge Anforderungen an die Spannungskorrosion gestellt werden.

Die Kerbschlagzähigkeitsprüfung der Proben zeigt jedoch, dass eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen der Verbesserung der Zähigkeit des Schweißguts und der Wärmeeinflusszone abträglich ist, und dass manchmal interkristalline Risse im Bereich der Kornvergröberung in der Wärmeeinflusszone auftreten können.

Darüber hinaus beruht die PWHT auf der Abnahme der Materialfestigkeit bei hohen Temperaturen, um eine Spannungsentlastung zu erreichen. Daher kann die Struktur während der PWHT an Steifigkeit verlieren.

Bei Konstruktionen, die ganz oder teilweise einer PWHT unterzogen werden, muss die Tragfähigkeit der Schweißnaht bei hohen Temperaturen vor der Wärmebehandlung berücksichtigt werden.

Bei der Überlegung, ob eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen durchgeführt werden soll, sollten daher sowohl die Vor- als auch die Nachteile der Wärmebehandlung umfassend verglichen werden.

Unter dem Gesichtspunkt der strukturellen Leistung gibt es sowohl Aspekte, die die Leistung verbessern können, als auch Aspekte, die die Leistung verringern können. Vernünftige Urteile sollten auf der Grundlage einer umfassenden Betrachtung beider Aspekte getroffen werden.