Esilämmitys ja hitsauksen jälkeiset lämpökäsittelyt

Esilämmitys ja hitsauksen jälkeiset lämpökäsittelyt

Mitä hitsaustarkastajan tulisi tietää esilämmityksestä ja hitsauksen jälkeisestä lämpökäsittelystä.

Joitakin perusmateriaaleja hitsattaessa ja tietyissä käyttöolosuhteissa esilämmitys ja/tai hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely voi olla tarpeen. Tämäntyyppisiä lämpökäsittelyjä tarvitaan hitsauksen asianmukaisen eheyden varmistamiseksi, ja ne yleensä estävät tai poistavat ei-toivotut ominaisuudet valmiista hitsistä. Kaikki lämpökäsittelyt ovat kalliita, koska ne vaativat ylimääräisiä laitteita, ylimääräistä aikaa ja ylimääräistä käsittelyä. Näistä syistä lämpökäsittelyyn olisi ryhdyttävä vasta, kun sen tarjoamat edut on harkittu huolellisesti. Tietyissä tapauksissa lämpökäsittely on pakollinen, kuten raskaiden niukkaseosteisten teräsprofiilien kohdalla, kun taas toisissa tapauksissa se on perusteltu varotoimenpide ennenaikaisia käyttöhäiriöitä vastaan.

On useita syitä sisällyttää lämpökäsittely hitsausprosessiin. Tarkastelemme joitakin yleisimpiä.

Esilämmitys

Esilämmitys on AWS Standard Welding Terms and Definition -standardin määritelmän mukaan "perusmetalliin tai alustaan kohdistettu lämpö esilämmityslämpötilan saavuttamiseksi ja ylläpitämiseksi" Esilämmityslämpötila määritellään samassa asiakirjassa seuraavasti: "perusaineen lämpötila hitsauskohtaa ympäröivässä tilassa välittömästi ennen hitsauksen aloittamista. Monipalkohitsauksessa se on myös lämpötila välittömästi ennen toisen ja sitä seuraavien hitsauspalkojen aloittamista" (Interpass Temperature).

Esilämmityksen suorittaminen

Esilämmitys voidaan suorittaa kaasupolttimilla, happikaasuliekillä, sähköpeitteillä, induktiokuumennuksella tai uunissa lämmittämällä. Parhaan tuloksen saavuttamiseksi on tärkeää, että lämmitys on tasaista liitosalueella. Voimakkaasta, epätasaisesta kuumentamisesta on vain vähän hyötyä jäähdytyksen hidastamisessa, ja se voi olla haitallista, sillä se voi aiheuttaa suurempia jäännösjännityksiä, muodonmuutoksia tai ei-toivottuja metallurgisia muutoksia perusaineessa.

Kun esilämmitys on määritetty, koko hitsausliitos on lämmitettävä tasaisesti koko materiaalin paksuuden läpi haluttuun vähimmäislämpötilaan. Tasaisen lämpötilan saamiseksi materiaalin koko paksuudelle on toivottavaa, että lämmityslähteet kohdistetaan materiaalin pinnan toiselle puolelle ja että materiaalin lämpötila mitataan vastakkaiselta puolelta.

Jos lämmitys ja lämpötilan mittaus on suoritettava samalta pinnalta, tarkastajan on varmistettava, että muutakin kuin vain materiaalin pintaa on lämmitetty. On tärkeää varmistaa, että koko materiaalin paksuus on lämmitetty tasaiseen lämpötilaan.

Esilämmityslämpötilan määrittämisen lisäksi joissakin sovelluksissa voidaan joutua harkitsemaan välilämpötilan rajoittamista. Tämä tieto on ilmoitettava hitsausmenetelmää koskevassa eritelmässä. Kun välilämpötila on määritetty, hitsausalue on tarkastettava ennen seuraavan hitsauspalon tekoa. Hitsausta ei saa jatkaa, jos mitattu lämpötila ylittää hitsausmenetelmässä määritellyt enimmäislämpötilat. Hitsauskappaleen on annettava jäähtyä välilämpötilan määritettyyn ylärajaan ennen hitsauksen jatkamista.

Materiaalin metallurgisista ominaisuuksista ja/tai hitsattavan osan halutuista mekaanisista ominaisuuksista riippuen esilämmitys- ja välivaiheen lämpötilaa voidaan arvioida eri syistä. Esimerkiksi hitsausmenetelmässä, jossa hitsataan perusterästä, jonka hiilipitoisuus on alhainen ja karkenevuus suhteellisen alhainen ja jota käytetään sovelluksessa, jossa ei ole erityisiä käyttövaatimuksia, voidaan ottaa huomioon materiaalin paksuuteen perustuva esilämmityksen ja välilämmityksen vähimmäislämpötila.

Hitsausmenetelmissä, joita käytetään lämpökäsiteltäville niukkaseosteisille teräksille ja kromi- ja molybdeeniteräksille, joilla on iskunkestävyysvaatimuksia, määritetään tavallisesti esilämmitys- ja välilämmityslämpötilojen vähimmäis- ja enimmäisvaatimukset. Näillä niukkaseosteisilla materiaaleilla karkenevuus voi olla korkea ja ne ovat alttiita vetyhalkeilulle. Jos näiden materiaalien annetaan jäähtyä liian nopeasti tai ne ylikuumenevat, se voi vaikuttaa vakavasti niiden suorituskykyvaatimuksiin. Nikkeliseoksia hitsattaessa ongelma on ensisijaisesti suuri lämmöntuonti hitsauksen aikana. Hitsausprosessin lämmöntuonti sekä esilämmitys- ja välilämmityslämpötila voivat vaikuttaa vakavasti näihin materiaaleihin. Korkea lämmöntuonti voi johtaa liialliseen liukenemiseen, karbidien saostumiseen ja muihin haitallisiin metallurgisiin ilmiöihin. Nämä metallurgiset muutokset voivat edistää halkeilua tai korroosionkestävyyden heikkenemistä. Joidenkin alumiiniseosten, kuten lämpökäsiteltävien 2xxx-, 6xxx- ja 7xxx-sarjojen, hitsausmenetelmissä on usein kyse kokonaislämmöntuonnin vähentämisestä. Näissä materiaaleissa esilämmityksen ja välilämmityksen enimmäislämpötilaa säädetään, jotta minimoidaan sen hehkutus- ja ylivanhenemisvaikutus lämpövyöhykkeeseen (HAZ) ja siitä johtuva vetolujuuden heikkeneminen.

Kriittisissä sovelluksissa esilämmityslämpötilaa on säädettävä tarkasti. Näissä tilanteissa käytetään säädettäviä lämmitysjärjestelmiä, ja lämmitettävän osan seuraamiseksi siihen liitetään anturit. Nämä anturit antavat signaalin ohjausyksikölle, joka voi säätää lämmitykseen tarvittavaa teholähdettä. Tämäntyyppisiä laitteita käyttämällä lämmitettävää osaa voidaan valvoa erittäin tarkkojen toleranssien mukaisesti.

Miksi esilämmitys on tarpeen

Esilämmityksen tärkeimpiä syitä ovat:

a) Kosteuden poistaminen hitsausalueelta: Tyypillisesti tämä tapahtuu kuumentamalla materiaalin pinta suhteellisen alhaiseen lämpötilaan, hieman veden kiehumispisteen yläpuolelle. Tämä kuivattaa levyn pinnan ja poistaa ei-toivotut epäpuhtaudet, jotka voivat muuten aiheuttaa huokoisuutta, vetyhaurastumista tai halkeilua vedyn pääsyn vuoksi hitsausprosessin aikana.

b) Lämpötilaeron alentaminen: Kaikissa kaarihitsausprosesseissa käytetään korkean lämpötilan lämmönlähdettä. Paikallisen lämmönlähteen ja hitsattavan viileän perusmateriaalin välille syntyy jyrkkä lämpötilaero. Tämä lämpötilaero aiheuttaa erilaista lämpölaajenemista ja supistumista sekä suuria jännityksiä hitsatun alueen ympärillä. Lämpötilaeron pienentäminen esilämmittämällä perusmateriaalia minimoi vääristymiseen ja liialliseen jäännösjännitykseen liittyvät ongelmat. Jos esilämmitystä ei suoriteta, hitsausalueen ja perusaineen välille voi syntyä suuri lämpötilaero. Tämä voi aiheuttaa nopeaa jäähtymistä, mikä johtaa martensiitin muodostumiseen ja todennäköiseen halkeiluun hitsattaessa joitakin karkenevia materiaaleja.

Hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely

Erilaisia hitsauksen jälkeisiä lämpökäsittelyjä käytetään eri syistä ja eri materiaaleissa.

a) Jännityksen poistaminen – Hitsauksen jälkeistä lämpökäsittelyä käytetään yleensä jännityksen poistamiseen. Jännitysten poiston tarkoituksena on poistaa hitsauksessa mahdollisesti syntyneet sisäiset tai jäännösjännitykset. Jännityksenpoisto hitsauksen jälkeen voi olla tarpeen haurasmurtumariskin vähentämiseksi, myöhemmän muodonmuutoksen välttämiseksi tai jännityskorroosioriskin poistamiseksi.

b) Sopivan metallurgisen rakenteen saavuttaminen – Joillekin seosteräksille voi olla tarpeen lämpökarkaisukäsittely sopivan metallurgisen rakenteen saavuttamiseksi. Tämä käsittely suoritetaan hitsin jäähtymisen jälkeen, mutta tietyissä olosuhteissa voi olla tarpeen suorittaa tämä käsittely ennen hitsin jäähtymistä halkeilun estämiseksi.

c) Normalisointi hitsauksen jälkeen – Erittäin karkeat hitsirakenteet, kuten sähkökuonahitsauksessa syntyneet rakenteet, saattavat vaatia normalisointia hitsauksen jälkeen. Tämä käsittely pienentää raerakennetta, vähentää hitsauksen jälkeisiä jännityksiä ja poistaa kovia vyöhykkeitä lämmölle altistuneelta vyöhykkeeltä.

d) Alkuperäisten ominaisuuksien palauttaminen – Erkaumakarkaisuseoksille, kuten lämpökäsiteltävät alumiiniseokset, on joskus tehtävä hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely alkuperäisten ominaisuuksien palauttamiseksi. Joissakin tapauksissa käytetään vain ikääntymiskäsittelyä, vaikka täydellisellä liuoslämpökäsittelyllä ja keinotekoisella ikääntymiskäsittelyllä saavutetaan parempi ominaisuuksien palautuminen hitsauksen jälkeen.

Kun hitsaukseen liittyy esilämmitys ja/tai hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely, on tärkeää, että hitsauksen tarkastaja ymmärtää nämä vaatimukset varmistaakseen, että ne suoritetaan oikein ja hitsausmenettelyä koskevien eritelmien ja/tai sääntöjen vaatimusten mukaisesti.