Warmtebehandelingen lassen: Essentiële onderdelen van voor tot na het lassen

Lassen is een van de thermische verwerkingsmethoden voor metalen. Vooral bij het lassen van gewone laaggelegeerde constructiestaalsoorten en dikke platen met een hoog koolstofgehalte, wordt het lokale metaal beïnvloed door de thermische lascyclus van verhitting en afkoeling bij hoge temperatuur, waardoor verschillende veranderingen in de interne structuur van het metaal ontstaan, wat direct van invloed is op de mechanische eigenschappen van de lasverbinding.

Bovendien is door de metallurgische omstandigheden van het lassen en de effecten van verschillende verwarmings- en afkoelsnelheden de structuur van de las en de warmte-beïnvloede zone ongelijk, wat ook indirect en direct van invloed is op de mechanische eigenschappen van de lasverbinding. Daarom is het zeer noodzakelijk om de mechanische eigenschappen van de lasverbinding te veranderen of te verbeteren door verwarming, warmtebehoud en plaatselijke of volledige regeling van de afkoelsnelheid voor, tijdens en na het lassen.

 I. Voorverwarmen voor het lassen

 1. De rol van voorverwarming

1) Voorverwarmen is een effectieve maatregel om koudscheuren, warmscheuren en de vorming van verharde structuren in de warmte-beïnvloede zone te voorkomen. Bij het lassen van staal met een hoog koolstofgehalte, laaggelegeerd staal, hittebestendig staal en gewone koolstofarme stalen onderdelen met een hoge stijfheid, kan de snelle afkoelsnelheid van de las gemakkelijk leiden tot de vorming van verharde structuren in de las en de warmte-beïnvloede zone, waardoor scheuren ontstaan. Daarom is het voorverwarmen van de las noodzakelijk. Voorverwarmen kan de koelsnelheid vertragen, wat de vorming van scheuren in de las kan voorkomen.

2) Wanneer lasverbindingen met een hoge terughoudendheid kunnen snelle afkoeling en verwarming krimpspanning in het verbindingsgebied veroorzaken, wat tot scheuren kan leiden. Het voorverwarmen van het verbindingsgebied vóór het lassen kan de krimpspanning verminderen en de vorming van scheuren voorkomen.

3) Bij het lassen in koudere gebieden moet zelfs koolstofarm staal met een dikte van meer dan 20 m worden voorverwarmd om scheurvorming te voorkomen.

4) Voorverwarmen kan ook olie, vocht en andere factoren die de laskwaliteit beïnvloeden verwijderen, en het kan de ontsnapping van waterstof in de las bevorderen, waardoor het een overeenkomstige rol speelt in het voorkomen van defecten zoals porositeit en ook de vorming van scheuren voorkomt.

 Voorverwarmingstemperatuur

Om het werkstuk goed voor te verwarmen, is het vooral nodig om verschillende voorverwarmingstemperaturen te bepalen voor verschillende metaalmaterialen. Voor koolstofstaal bijvoorbeeld wordt de voorverwarmingstemperatuur meestal bepaald op basis van het koolstofgehalte. Als de massafractie koolstof groter is dan 0,2%, is de voorverwarmingstemperatuur 100~200°C; als het koolstofgehalte toeneemt, moet de voorverwarmingstemperatuur ook evenredig toenemen. Andere materialen hebben ook verschillende voorverwarmingstemperaturen, afhankelijk van het materiaal.

 De lasvoorverwarmingstemperaturen voor veel gebruikte staalsoorten staan in Tabel 2-30.

 Tabel 2-30 Lasvoorverwarmingstemperaturen voor sommige staalsoorten

Voorverwarmmethoden

Er zijn veel voorverwarmingsmethoden: zoals vlamverwarming, inductieverwarming met stroomfrequentie, ver infraroodverwarming, ovenverwarming, enz. De voorverwarmingsmethode moet worden gekozen op basis van het verwarmingsbereik. Momenteel worden infraroodverwarmers veel gebruikt, omdat ze goede verwarmingseffecten en een groot verwarmingsbereik hebben.

In het algemeen moet de voorverwarmingsbreedte aan elke kant van de lasnaad niet minder zijn dan 5 keer de plaatdikte en moet een uniforme verwarmingszone van 75~100 mm aan beide kanten van de afschuining worden aangehouden. De uiteindelijke voorverwarmingstemperatuur moet worden bepaald door het proces te testen.

Tussenlaag Isolatie

In de lasconstructie, vooral bij meerlaags lassen, is het bij bepaalde staalsoorten nodig om tijdens elke laslaag een specifieke temperatuur aan te houden, de zogenaamde tussenlaagtemperatuur. De rol van de tussenlaagtemperatuur is vergelijkbaar met voorverwarmen, het bevorderen van de diffusie en ontsnapping van waterstof in de las en de warmte-beïnvloede zone, en het speelt een rol bij het voorkomen van koudscheuren.

Voor koolstofstaal, laaggelegeerd staal en hittebestendig staal is de ondergrens van de tussenlaagtemperatuur over het algemeen de voorverwarmingstemperatuur van het lasstuk en de bovengrens is over het algemeen 350~400°C; voor austenitisch roestvast staal wordt de tussenlaagtemperatuur over het algemeen lager geregeld, meestal minder dan 250°C.

Opgemerkt moet worden dat de voorverwarm- en tussenlaagtemperaturen niet te hoog mogen zijn, anders veroorzaakt dit veranderingen in de microstructuur en eigenschappen van sommige stalen lasverbindingen.

Warmtebehandeling na het lassen

Het onmiddellijk in asbestas, heet zand (kalk) leggen van het net gelaste lasstuk, of koelen met de oven om de lasverbinding langzaam af te koelen, heeft als doel de inwendige spanning te verminderen, vervorming te minimaliseren en scheurvorming te voorkomen. Voor lasverbindingen met een hoge neiging tot afschrikken en een hoge stijfheid is koeling na het lassen een belangrijke technologische maatregel om de laskwaliteit te waarborgen.

Behandeling na verhitting, waterstofafgifte

"Naverwarmen" is het handhaven van de lasnaad op een temperatuur gelijk aan of hoger dan de tussenlaagtemperatuur gedurende een bepaalde periode nadat alle laswerkzaamheden zijn voltooid. De verwarmingstemperatuur en de duur van het "naverwarmen" hangen af van de dikte van de las, het type lasverbinding, het aanvankelijke waterstofgehalte in de las en de gevoeligheid van het staal voor waterstofscheuren.

Over het algemeen is de temperatuur voor naverwarming 250~350°C en de wachttijd hangt af van de dikte van de las, over het algemeen 1~3 uur. Voor sommige dikwandige vaten van laaggelegeerd staal met hoge sterkte kan naverwarming bij 300~350°C gedurende 1 uur vertraagd barsten volledig voorkomen en de voorverwarmingstemperatuur met 50°C verlagen. Naverwarming kan de diffusie en ontsnapping van waterstof versnellen, vandaar dat het ook wel "waterstofvrijgavebehandeling" wordt genoemd.

Het belangrijkste doel van naverwarmen is het versnellen van de diffusie en ontsnapping van waterstof, waardoor vertraagd barsten wordt voorkomen. Als voorverwarming, temperatuur tussen de lagen en andere maatregelen vertraagd barsten uiteindelijk niet kunnen elimineren, is naverwarming een eenvoudige, haalbare en effectieve methode. Naverwarmen wordt voornamelijk gebruikt voor het lassen van structuren van laaggelegeerd staal met hoge sterkte.

Naverwarming heeft veel overeenkomsten met warmtebehandeling na het lassen, maar over het algemeen kan naverwarming de warmtebehandeling na het lassen niet vervangen. Voor lassen die een warmtebehandeling nodig hebben en die direct na het lassen een warmtebehandeling kunnen ondergaan, kan naverwarmen achterwege blijven. Als de warmtebehandeling na het lassen niet onmiddellijk na het lassen kan worden uitgevoerd en het onderdeel moet tijdig worden gedehydrogeneerd, dan kan naverhitting niet achterwege blijven.

Er is bijvoorbeeld een groot hogedrukvat dat de inspectie voor het opsporen van gebreken na het lassen heeft doorstaan, maar omdat het vat na het lassen niet op tijd een warmtebehandeling heeft ondergaan en er geen waterstofverwijdering heeft plaatsgevonden, zijn er vertraagde scheuren ontstaan tijdens de opslag. Toen het vat een warmtebehandeling onderging en een hydrostatische test onderging, bereikte de testdruk niet de ontwerpwerkdruk en kreeg het vat een ernstige brosse breuk, wat resulteerde in de sloop van het hele vat.

De verwarmingsmethode, de breedte van de verwarmingszone en de locatie van de temperatuurmeting voor naverwarming zijn dezelfde als voor voorverwarming. Lokaal naverhitten moet ook een uniforme verwarmingszone van 75~100 mm aan beide kanten van de afschuining in stand houden, net als bij voorverhitten. Afgeschrikt en getemperd staal moet lokale oververhitting boven de hardingstemperatuur voorkomen.

Warmtebehandeling na het lassen

Warmtebehandeling is een proces dat de interne structuur van vaste stoffen verbetert. metalen door verhitten, vasthouden en afkoelen, waardoor de gewenste eigenschappen worden verkregen. Warmtebehandeling van lasverbindingen na het lassen is om de structuur en eigenschappen van de lasverbindingen te verbeteren of om restspanningen te elimineren. Veel voorkomende warmtebehandelingen na het lassen zijn spanningsarm gloeien, normaliseren, normaliseren plus ontlaten en afschrikken plus ontlaten (ontlaten).

Het belangrijkste doel van een warmtebehandeling na het lassen is het verminderen van restspanningen, het verhogen van de structurele stabiliteit, het zachter maken van de verharde zone, het bevorderen van waterstofontsnapping, het verbeteren van de weerstand tegen spanningscorrosie en het verbeteren van de plasticiteit, taaiheid en mechanische eigenschappen bij hoge temperaturen van de verbinding. Omdat spanningsvermindering de primaire functie is van een warmtebehandeling na het lassen, wordt dit meestal een warmtebehandeling na het lassen genoemd.

Warmtebehandeling na het lassen is over het algemeen alleen nodig onder speciale omstandigheden voor belangrijke producten. Voor sommige gelaste producten is een warmtebehandeling na het lassen niet nodig als de restspanning na het lassen niet significant is of als het nodig is om enige restspanning te behouden (zoals de restspanning na het lassen van meerlaags ommantelde platen). Als er geen of slechts een kleine hoeveelheid verharde structuur is, maar wel een zekere plasticiteit en taaiheid behouden blijft die geen nadelige effecten tijdens het gebruik veroorzaakt, is een warmtebehandeling na het lassen ook niet nodig.

Spanningsarm gloeien

Het verwarmingstemperatuurbereik voor spanningsarmgloeien is hetzelfde als dat voor ontlaten bij hoge temperatuur, over het algemeen wordt het gehele lasstuk of een deel ervan verwarmd tot 550~650°C, gevolgd door voldoende vasthouden en langzaam afkoelen. De wachttijd voor algemeen staal wordt berekend als 2,5min per 1mm dikte, maar niet minder dan 15min. Voeg voor diktes van meer dan 50 mm 15 minuten toe voor elke extra 25 mm.

 Algehele warmtebehandeling

Het plaatsen van het lasstuk in een verwarmingsoven voor algehele warmtebehandeling kan bevredigende resultaten opleveren. De temperatuur van het lasstuk bij het binnengaan en verlaten van de oven moet lager zijn dan 300°C. De verwarmings- en koelsnelheden moeten gerelateerd zijn aan de plaatdikte en aan de volgende eisen voldoen:

In de formule is U de koelsnelheid, °C/h; δ is de plaatdikte, mm.

Voor dikwandige vaten zijn de verwarmings- en koelsnelheden 50~150°C/u en het maximale temperatuurverschil in de oven tijdens de gehele warmtebehandeling mag niet hoger zijn dan 50°C. Als het lasstuk te lang is en in twee sessies verhit moet worden, moet het overlappende verwarmingsdeel meer dan 1,5 m zijn.

Plaatselijke warmtebehandeling

Voor eenvoudige containers en buizen die te lang zijn voor een algehele warmtebehandeling, maar een regelmatige vorm hebben, kan een lokale warmtebehandeling worden uitgevoerd. Zorg tijdens de lokale warmtebehandeling voor voldoende verwarmingsbreedte aan beide zijden van de las. De verhittingsbreedte voor de cilinder is gerelateerd aan de cilinderradius en de wanddikte en kan worden berekend met de volgende formule:

In de formule,

• B is de verwarmingsbreedte van de cilinder, mm;
• R is de cilinderstraal, mm;
• δ is de dikte van de cilinderwand, mm.

Bijvoorbeeld, voor een cilindrische las met een diameter van 1200 mm en een wanddikte van 24 mm, wordt de verwarmingsbreedte gecentreerd op de las berekend met de bovenstaande formule. Dat wil zeggen, tijdens de lokale warmtebehandeling van deze cilindrische las moet het 600 m-bereik gecentreerd op de las verwarmd worden tot de gespecificeerde warmtebehandelingstemperatuur.

Veelgebruikte methoden voor lokale warmtebehandeling zijn vlamverwarming, infraroodverwarming en inductieverwarming met industriële frequentie.

De volgende situaties zouden een spanningsontlastende gloeibehandeling moeten overwegen: basismetaal met een hoge sterktekwaliteit, gewoon laaggelegeerd staal met een neiging tot uitstel van scheurvorming; drukvaten en andere gelaste constructies die werken onder lage temperatuurcondities, vooral diegene die gebruikt worden onder de brosse overgangstemperatuur; onderdelen die onderworpen worden aan wisselende belastingen die vermoeiingssterkte vereisen; grote drukvaten; gelaste constructies die weerstand tegen spanningscorrosie en dimensionale stabiliteit na het lassen vereisen.

Het spanningsarmgloeien wordt meestal uitgevoerd in een oven, die meer dan 80% van de restspanning kan elimineren. Plaatselijk spanningsarmgloeien kan in principe hetzelfde effect bereiken als globaal spanningsarmgloeien.

 Deze warmtebehandeling brengt geen veranderingen in de kristallijne structuur met zich mee.

 2. Normaliseren of normaliseren plus ontlaten

Deze warmtebehandeling na het lassen is over het algemeen geschikt voor elektroslaklasconstructies om de structuur en de prestaties van de verbindingen te verbeteren.

Normaliseren houdt in dat het staal wordt verwarmd tot boven Ac₃ met een wachttijd van 2 minuten per 1 mm dikte, maar niet minder dan 30 minuten, en dan afkoelen in lucht na het verlaten van de oven. Omdat het een herkristallisatieproces is, kan het een fijnere korrelstructuur verkrijgen en de mechanische eigenschappen verbeteren.

Normaliseren plus ontlaten is ontlaten na normaliseren. Het doel van ontlaten is om de structurele spanning te elimineren die wordt veroorzaakt tijdens het afkoelingsproces van normaliseren, waardoor de uitgebreide prestaties van het staal of de lasverbindingen verder verbeteren.

 3. Afschrikken en ontlaten

Deze post-weld warmtebehandeling is geschikt voor afgeschrikt en ontlaten staal of andere gelaste structuren die een post-weld afschrikken en ontlaten behandeling vereisen. Na het afschrikken en ontlaten kan het staal of de gelaste verbindingen een goede combinatie van sterkte en taaiheid in uitgebreide mechanische eigenschappen bereiken.

Quenchen is het verhitten van het staal tot een kritisch punt.₁ of Ac₃ plus 30~50°C, een tijdje vasthouden en dan snel afkoelen in water of olie om een structuur met een hoge hardheid te verkrijgen.

 Aandachtspunten voor warmtebehandeling na het lassen

Oplossingsbehandeling bestaat uit het verhitten van de lasverbinding tot 1000~1050°C, zodat de carbiden die tijdens het lassen op de korrelgrenzen zijn neergeslagen weer in het austeniet kunnen smelten, en daarna snel afkoelen om de austenitische structuur te fixeren. Stabilisatiebehandeling bestaat uit het verhitten van de lasverbinding tot 850~900°C, 2 uur vasthouden en dan afkoelen aan de lucht, waardoor het chroom in de austenietkorrels geleidelijk diffundeert naar de korrelgrenzen, waardoor de chroomarme laag bij de korrelgrenzen verdwijnt en de weerstand tegen interkristallijne corrosie verbetert.

Zowel oplossingsbehandeling als stabilisatiebehandeling zijn gericht op het verbeteren van de weerstand tegen interkristallijne corrosie van austenitische roestvaststalen lasverbindingen.

 Aandachtspunten bij warmtebehandeling na het lassen zijn de volgende.

• Voor laaggelegeerde staalsoorten die een bepaalde hoeveelheid V, Ti of Nb bevatten, is het noodzakelijk om langdurig vasthouden rond 600°C te vermijden, omdat dit kan leiden tot brosheid, waarbij de sterkte van het materiaal toeneemt terwijl de plasticiteit en taaiheid aanzienlijk afnemen.
• Het gloeien na het lassen van de spanningsontlasting moet over het algemeen 30~60°C lager zijn dan de ontlaattemperatuur van het basismateriaal.
• Voor sommige laaggelegeerde stalen lasconstructies die elementen als Cr, Mo, V, Ti en Nb bevatten, moet voorzichtigheid worden betracht tijdens het spanningsarmgloeien om herverhitting te voorkomen.
•  Tijdens de warmtebehandeling moet ervoor worden gezorgd dat de structuur niet vervormt.

Tabellen 2-31 tot 2-34 tonen de belangrijkste parameters van enkele veelgebruikte specificaties voor warmtebehandeling na het lassen.

Tabel 2-31 Verhittings- en afkoelsnelheden voor warmtebehandeling na het lassen (boven 400°C)

Tabel 2-32 Diktebereik waarvoor na het lassen spanningsvrijgloeien vereist is voor bepaalde staalsoorten

 Tabel 2-33 Temperaturen na het lassen van spanningsontlasting voor bepaalde staalsoorten

 Tabel 2-34 Gebruikelijke temperaturen voor warmtebehandeling na het lassen van laaggelegeerd staal

Warmtebehandeling na het lassen van verschillende lasconstructies moet worden uitgevoerd in overeenstemming met de relevante productietechnische voorwaarden.