Wärmebehandlungen beim Schweißen: Grundlegendes vor bis nach dem Schweißen

Schweißen ist eine der thermischen Verarbeitungsmethoden für Metalle. Insbesondere beim Schweißen von gewöhnlichen niedrig legierten Baustählen und dicken Blechen mit hohem Kohlenstoffgehalt wird das lokale Metall durch den thermischen Zyklus des Schweißens mit Erhitzung und Abkühlung bei hoher Temperatur beeinträchtigt, was zu verschiedenen Veränderungen in der inneren Struktur des Metalls führt, die sich direkt auf die mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindung auswirken.

Darüber hinaus ist die Struktur der Schweißnaht und der Wärmeeinflusszone aufgrund der metallurgischen Bedingungen beim Schweißen und der Auswirkungen unterschiedlicher Erwärmungs- und Abkühlungsgeschwindigkeiten ungleichmäßig, was sich ebenfalls direkt und indirekt auf die mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindung auswirkt. Daher ist es sehr wichtig, die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht durch Erwärmung, Wärmekonservierung und Steuerung der Abkühlungsgeschwindigkeit vor, während und nach dem Schweißen zu verändern oder zu verbessern.

 I. Vorwärmen vor dem Schweißen

 1. Die Rolle des Vorwärmens

1) Das Vorwärmen ist eine wirksame Maßnahme zur Verhinderung von Kalt- und Warmrissen sowie der Bildung von gehärteten Strukturen in der Wärmeeinflusszone. Beim Schweißen von kohlenstoffreichen Stählen, niedrig legierten Stählen, hitzebeständigen Stählen und gewöhnlichen kohlenstoffarmen Stählen mit hoher Steifigkeit kann die schnelle Abkühlung der Schweißnaht leicht zur Bildung von gehärteten Strukturen in der Schweißnaht und der Wärmeeinflusszone führen und damit Risse verursachen. Daher ist ein Vorwärmen der Schweißnaht erforderlich. Durch das Vorwärmen kann die Abkühlungsgeschwindigkeit verlangsamt werden, was die Bildung von Rissen in der Schweißnaht verhindern kann.

2) Wenn Schweißnähte Bei hohen Spannungen kann schnelles Abkühlen und Erhitzen zu Schrumpfungsspannungen im Verbindungsbereich und damit zu Rissen führen. Das Vorwärmen des Verbindungsbereichs vor dem Schweißen kann Schrumpfungsspannungen reduzieren und die Bildung von Rissen verhindern.

3) Beim Schweißen in kälteren Regionen muss auch kohlenstoffarmer Stahl mit einer Dicke von mehr als 20 m vorgewärmt werden, um die Bildung von Rissen zu verhindern.

4) Durch das Vorwärmen können auch Öl, Feuchtigkeit und andere Faktoren, die die Qualität der Schweißnaht beeinträchtigen, entfernt werden, und es kann das Entweichen von Wasserstoff in der Schweißnaht gefördert werden, so dass Defekte wie Porosität und die Bildung von Rissen verhindert werden.

 Vorwärmtemperatur

Um das Werkstück richtig vorzuwärmen, müssen je nach Metallwerkstoff unterschiedliche Vorwärmtemperaturen festgelegt werden. Bei Kohlenstoffstahl zum Beispiel wird die Vorwärmtemperatur im Allgemeinen auf der Grundlage des Kohlenstoffgehalts bestimmt. Wenn der Massenanteil an Kohlenstoff größer als 0,2% ist, beträgt die Vorwärmtemperatur 100~200°C; mit steigendem Kohlenstoffgehalt sollte auch die Vorwärmtemperatur proportional steigen. Auch bei anderen Werkstoffen sind die Vorwärmtemperaturen je nach Material unterschiedlich.

 Die Schweißvorwärmtemperaturen für die gebräuchlichsten Stahlsorten sind in Tabelle 2-30 aufgeführt.

 Tabelle 2-30 Schweißvorwärmtemperaturen für einige Stahlsorten

Methoden zum Vorheizen

Es gibt viele Vorwärmmethoden: Flammenerwärmung, Hochfrequenz-Induktionserwärmung, Ferninfrarot-Erwärmung, Ofenerwärmung usw. Die Vorwärmmethode sollte auf der Grundlage des Heizbereichs gewählt werden. Gegenwärtig sind Ferninfrarotstrahler weit verbreitet, die eine gute Heizwirkung und einen großen Heizbereich bieten.

Im Allgemeinen sollte die Vorwärmbreite auf jeder Seite der Schweißnaht nicht weniger als das Fünffache der Blechdicke betragen, und auf beiden Seiten der Fase sollte eine gleichmäßige Erwärmungszone von 75 bis 100 mm eingehalten werden. Die endgültige Vorwärmtemperatur muss durch Verfahrensprüfungen ermittelt werden.

Zwischenschicht-Isolierung

Bei der Schweißkonstruktion, insbesondere beim Mehrlagenschweißen, muss bei bestimmten Stählen während jeder Schweißlage eine bestimmte Temperatur eingehalten werden, die so genannte Zwischenlagentemperatur. Die Zwischenlagentemperatur spielt eine ähnliche Rolle wie das Vorwärmen, indem sie die Diffusion und das Entweichen von Wasserstoff in der Schweißnaht und in der Wärmeeinflusszone fördert und eine Rolle bei der Verhinderung von Kaltrissen spielt.

Bei Kohlenstoffstahl, niedrig legiertem Stahl und hitzebeständigem Stahl ist die untere Grenze der Zwischenlagentemperatur im Allgemeinen die Vorwärmtemperatur der Schweißnaht, und die obere Grenze liegt im Allgemeinen bei 350-400°C; bei austenitischem rostfreiem Stahl ist die Zwischenlagentemperatur im Allgemeinen niedriger, normalerweise weniger als 250°C.

Es ist zu beachten, dass die Vorwärm- und Zwischenlagentemperaturen nicht zu hoch sein dürfen, da sich sonst das Gefüge und die Eigenschaften einiger Stahlschweißverbindungen verändern.

Wärmebehandlung nach dem Schweißen

Das sofortige Einlegen der gerade geschweißten Schweißnaht in Asbestasche, heißen Sand (Kalk) oder das Abkühlen mit dem Ofen zur langsamen Abkühlung der Schweißnaht zielt darauf ab, innere Spannungen abzubauen, Verformungen zu minimieren und Rissbildung zu verhindern. Bei Schweißstücken mit hoher Abschreckneigung und hoher Steifigkeit ist das Abkühlen nach dem Schweißen eine wichtige technologische Maßnahme zur Sicherung der Schweißqualität.

Nacherwärmung, Behandlung zur Wasserstofffreisetzung

Unter "Nachwärmen" versteht man das Halten der Schweißnaht bei einer Temperatur, die gleich oder höher als die Zwischenlagentemperatur ist, für einen bestimmten Zeitraum nach Abschluss aller Schweißvorgänge. Die Erwärmungstemperatur und die Dauer des "Nachwärmens" hängen von der Dicke der Schweißnaht, der Art der Verbindung, dem anfänglichen Wasserstoffgehalt in der Schweißnaht und der Empfindlichkeit des Stahls gegenüber Wasserstoffrissbildung ab.

Im Allgemeinen liegt die Temperatur für das Nachwärmen bei 250-350°C, und die Haltezeit hängt von der Dicke der Schweißnaht ab, im Allgemeinen 1-3 Stunden. Bei einigen dickwandigen Behältern aus niedrig legiertem, hochfestem Stahl kann durch Nachwärmen bei 300-350°C für 1 Stunde eine verzögerte Rissbildung vollständig vermieden und die Vorwärmtemperatur um 50°C reduziert werden. Das Nachwärmen kann die Diffusion und das Entweichen von Wasserstoff beschleunigen, weshalb es auch als "Wasserstofffreisetzungsbehandlung" bezeichnet wird.

Der Hauptzweck des Nachheizens besteht darin, die Diffusion und das Entweichen von Wasserstoff zu beschleunigen und so das Auftreten von verzögerter Rissbildung zu vermeiden. Wenn Vorwärmen, Zwischenlagentemperatur und andere Maßnahmen verzögerte Rissbildung nicht endgültig beseitigen können, ist Nachwärmen eine einfache, praktikable und wirksame Methode. Das Nachwärmen wird hauptsächlich für Schweißkonstruktionen aus hochfestem, niedrig legiertem Stahl verwendet.

Das Nachwärmen hat viele Ähnlichkeiten mit der Wärmebehandlung nach dem Schweißen, kann aber im Allgemeinen die Wärmebehandlung nach dem Schweißen nicht ersetzen. Bei Schweißstücken, die eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen erfordern und sofort nach dem Schweißen wärmebehandelt werden können, kann das Nachwärmen entfallen. Kann die Wärmebehandlung nicht unmittelbar nach dem Schweißen erfolgen und muss die Schweißnaht rechtzeitig dehydriert werden, so kann das Nachwärmen nicht entfallen.

So wurde beispielsweise ein großer Hochdruckbehälter nach der Schweißnaht auf Fehlerfreiheit geprüft. Da er jedoch nach dem Schweißen nicht rechtzeitig wärmebehandelt wurde und keine Behandlung zur Beseitigung von Wasserstoff durchgeführt wurde, kam es während der Lagerung zu einer verzögerten Rissbildung. Als der Behälter wärmebehandelt und einer hydrostatischen Prüfung unterzogen wurde, erreichte der Prüfdruck nicht den Auslegungsbetriebsdruck, und der Behälter erlitt einen schweren Sprödbruchunfall, was zur Verschrottung des gesamten Behälters führte.

Die Anforderungen an die Heizmethode, die Breite der Heizzone und den Ort der Temperaturmessung sind beim Nachheizen dieselben wie beim Vorheizen. Auch beim lokalen Nachwärmen sollte eine gleichmäßige Heizzone von 75-100 mm auf beiden Seiten der Fase eingehalten werden, ähnlich wie beim Vorwärmen. Bei vergüteten Stählen sollte eine lokale Überhitzung über die Anlasstemperatur hinaus vermieden werden.

Wärmebehandlung nach dem Schweißen

Die Wärmebehandlung ist ein Verfahren zur Verbesserung der inneren Struktur von festen Metalle durch Erhitzen, Halten und Abkühlen, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Die Wärmebehandlung von Schweißnähten nach dem Schweißen dient der Verbesserung der Struktur und der Eigenschaften der Schweißnähte oder der Beseitigung von Restspannungen. Zu den üblichen Wärmebehandlungen nach dem Schweißen gehören das Spannungsarmglühen, das Normalisieren, das Normalisieren mit Anlassen und das Abschrecken mit Anlassen (Vergütungsbehandlung).

Der Hauptzweck der Wärmebehandlung nach dem Schweißen besteht darin, Eigenspannungen zu verringern, die strukturelle Stabilität zu erhöhen, die gehärtete Zone zu erweichen, das Entweichen von Wasserstoff zu fördern, die Beständigkeit gegen Spannungskorrosion zu erhöhen und die Plastizität, Zähigkeit und die mechanischen Eigenschaften der Verbindung bei hohen Temperaturen zu verbessern. Da der Spannungsabbau die Hauptfunktion der Wärmebehandlung nach dem Schweißen ist, wird sie allgemein als Wärmebehandlung nach dem Schweißen bezeichnet.

Eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen ist im Allgemeinen nur unter besonderen Umständen für wichtige Produkte erforderlich. Bei einigen geschweißten Produkten ist eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen nicht erforderlich, wenn die Eigenspannung nach dem Schweißen nicht signifikant ist oder wenn es notwendig ist, eine gewisse Eigenspannung beizubehalten (z. B. die Eigenspannung nach dem Schweißen von mehrlagigen, mit einem Behälter umwickelten Blechen). Wenn keine oder nur eine geringe Menge an gehärtetem Gefüge vorhanden ist, aber noch eine gewisse Plastizität und Zähigkeit vorhanden ist, die keine nachteiligen Auswirkungen während des Betriebs verursacht, ist eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen ebenfalls nicht erforderlich.

Spannungsarmglühen

Die Erwärmungstemperatur für das Spannungsarmglühen entspricht der für das Hochtemperaturanlassen, wobei im Allgemeinen die gesamte Schweißnaht oder ein Teil davon auf 550-650°C erwärmt wird, gefolgt von einer ausreichenden Haltezeit und einer langsamen Abkühlung. Die Haltezeit für allgemeinen Stahl beträgt 2,5 Minuten pro 1 mm Dicke, aber nicht weniger als 15 Minuten. Bei Dicken über 50 mm sind für jede weiteren 25 mm 15 Minuten hinzuzufügen.

 Allgemeine Wärmebehandlung

Zufriedenstellende Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn die Schweißnaht für eine umfassende Wärmebehandlung in einen Wärmeofen gelegt wird. Die Temperatur der Schweißnaht beim Eintritt in den Ofen und beim Verlassen des Ofens sollte unter 300 °C liegen. Die Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeit sollte sich nach der Blechdicke richten und den folgenden Anforderungen entsprechen:

In der Formel ist U die Abkühlungsgeschwindigkeit, °C/h; δ ist die Blechdicke, mm.

Bei dickwandigen Behältern liegen die Aufheiz- und Abkühlraten bei 50~150°C/h, und der maximale Temperaturunterschied im Ofen sollte während der gesamten Wärmebehandlung 50°C nicht überschreiten. Wenn die Schweißnaht zu lang ist und in zwei Durchgängen wärmebehandelt werden muss, sollte der überlappende Heizabschnitt mehr als 1,5 m betragen.

Lokale Wärmebehandlung

Bei einfachen Behältern und Rohren, die für eine Gesamtwärmebehandlung zu lang sind, aber eine regelmäßige Form haben, kann eine lokale Wärmebehandlung durchgeführt werden. Bei der lokalen Wärmebehandlung ist auf beiden Seiten der Schweißnaht auf eine ausreichende Erwärmungsbreite zu achten. Die Erwärmungsbreite für den Zylinder hängt vom Zylinderradius und der Wandstärke ab und kann mit der folgenden Formel berechnet werden:

In der Formel,

• B ist die Heizbreite des Zylinders, mm;
• R ist der Zylinderradius, mm;
• δ ist die Zylinderwanddicke, mm.

Für eine zylindrische Schweißnaht mit einem Durchmesser von 1200 mm und einer Wandstärke von 24 mm wird die Heizbreite in der Mitte der Schweißnaht nach der obigen Formel berechnet. Das heißt, bei der lokalen Wärmebehandlung dieser zylindrischen Schweißnaht muss der Bereich von 600 m in der Mitte der Schweißnaht auf die angegebene Wärmebehandlungstemperatur erwärmt werden.

Zu den gängigen Methoden der lokalen Wärmebehandlung gehören die Flammenerwärmung, die Infraroterwärmung und die Induktionserwärmung mit industrieller Frequenz.

In folgenden Fällen sollte eine Spannungsarmglühbehandlung in Betracht gezogen werden: Grundwerkstoff mit hoher Festigkeit, üblicher niedrig legierter Stahl mit Neigung zur Rissbildung; Druckbehälter und andere geschweißte Konstruktionen, die unter niedrigen Temperaturen betrieben werden, insbesondere solche, die unterhalb der Sprödübergangstemperatur verwendet werden; Bauteile, die Wechselbelastungen ausgesetzt sind und Ermüdungsfestigkeit erfordern; große Druckbehälter; geschweißte Konstruktionen, die Beständigkeit gegen Spannungskorrosion und Formstabilität nach dem Schweißen erfordern.

Das Spannungsarmglühen wird im Allgemeinen in einem Ofen durchgeführt, der über 80% der Eigenspannungen beseitigen kann. Durch lokales Spannungsarmglühen kann im Grunde die gleiche Wirkung erzielt werden wie durch allgemeines Spannungsarmglühen.

 Bei dieser Wärmebehandlung wird die kristalline Struktur nicht verändert.

 2. Normalisieren oder Normalisieren plus Anlassen

Diese Wärmebehandlung nach dem Schweißen ist im Allgemeinen für elektroschlackegeschweißte Konstruktionen geeignet, um die Struktur und Leistung der Verbindungen zu verbessern.

Beim Normalisieren wird der Stahl auf über Ac₃ mit einer Haltezeit von 2 Minuten pro 1 mm Dicke, aber nicht weniger als 30 Minuten, und anschließendem Abkühlen an der Luft nach Verlassen des Ofens. Da es sich um ein Rekristallisationsverfahren handelt, kann eine feinere Kornstruktur erzielt und die mechanischen Eigenschaften verbessert werden.

Normalisieren plus Anlassen ist das Anlassen nach dem Normalisieren. Der Zweck des Anlassens besteht darin, die strukturellen Spannungen zu beseitigen, die während des Abkühlungsprozesses beim Normalisieren entstanden sind, und so die umfassende Leistungsfähigkeit des Stahls oder der Schweißverbindungen weiter zu verbessern.

 3. Abschreckung und Anlassen

Diese Wärmebehandlung nach dem Schweißen eignet sich für vergüteten Stahl oder andere geschweißte Konstruktionen, die nach dem Schweißen vergütet werden müssen. Nach dem Vergüten kann der Stahl oder die Schweißverbindungen eine gute Kombination aus Festigkeit und Zähigkeit in umfassenden mechanischen Eigenschaften erreichen.

Abschrecken ist das Erhitzen des Stahls auf einen kritischen Punkt Ac₁ oder Ac₃ plus 30~50°C, hält es eine Zeit lang und kühlt dann schnell in Wasser oder Öl ab, um eine hochharte Struktur zu erhalten.

 Zu beachtende Punkte bei der Wärmebehandlung nach dem Schweißen

Bei der Lösungsglühung wird die Schweißnaht auf 1000-1050°C erhitzt, so dass die beim Schweißen an den Korngrenzen abgeschiedenen Karbide in den Austenit zurückschmelzen können, und dann schnell abgekühlt, um die austenitische Struktur zu fixieren. Bei der Stabilisierungsbehandlung wird die Schweißnaht auf 850-900°C erhitzt, 2 Stunden lang gehalten und dann an der Luft abgekühlt, so dass das Chrom in den Austenitkörnern allmählich zu den Korngrenzen diffundiert und die chromarme Schicht an den Korngrenzen beseitigt wird, wodurch die Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion verbessert wird.

Sowohl die Lösungsbehandlung als auch die Stabilisierungsbehandlung zielen darauf ab, die Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion von Schweißverbindungen aus austenitischem nichtrostendem Stahl zu verbessern.

 Bei der Wärmebehandlung nach dem Schweißen sind die folgenden Punkte zu beachten.

• Bei niedrig legierten Stählen, die einen gewissen Anteil an V, Ti oder Nb enthalten, muss ein längeres Halten bei etwa 600 °C vermieden werden, da dies zu einer Anlasssprödigkeit führen kann, bei der die Festigkeit des Materials zunimmt, während Plastizität und Zähigkeit deutlich abnehmen.
• Das Spannungsarmglühen nach dem Schweißen sollte im Allgemeinen 30~60°C niedriger sein als die Anlasstemperatur des Grundmaterials.
• Bei einigen Schweißkonstruktionen aus niedrig legiertem Stahl, die Elemente wie Cr, Mo, V, Ti, Nb enthalten, ist beim Spannungsarmglühen Vorsicht geboten, um Wiedererwärmungsrisse zu vermeiden.
•  Bei der Wärmebehandlung muss darauf geachtet werden, dass die Struktur nicht verformt wird.

Die Tabellen 2-31 bis 2-34 zeigen die wichtigsten Parameter einiger häufig verwendeter Spezifikationen für die Wärmebehandlung nach dem Schweißen.

Tabelle 2-31 Aufheiz- und Abkühlraten für die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (über 400 °C)

Tabelle 2-32 Dickenbereich, der ein Spannungsarmglühen nach dem Schweißen für bestimmte Stahlsorten erfordert

 Tabelle 2-33 Glühtemperaturen nach dem Schweißen zum Spannungsarmglühen für ausgewählte Stahlsorten

 Tabelle 2-34 Übliche Wärmebehandlungs-Temperaturen für niedrig legierte Stähle nach dem Schweißen

Die Wärmebehandlung der verschiedenen Schweißkonstruktionen nach dem Schweißen sollte in Übereinstimmung mit den technischen Bedingungen für die Herstellung des jeweiligen Produkts durchgeführt werden.