Podgrzewanie wstępne i obróbka cieplna po spawaniu

Co inspektor spawalniczy powinien wiedzieć o podgrzewaniu i obróbce cieplnej po spawaniu?

Podczas spawania niektórych materiałów rodzimych i pracy w niektórych warunkach eksploatacyjnych wymagana może być obróbka cieplna przed spawaniem i/lub obróbka cieplna po spawaniu. Taka obróbka cieplna jest wymagana w celu zapewnienia odpowiedniej integralności spoiny i zazwyczaj zapobiega lub usuwa niepożądane właściwości w gotowej spoinie. Każda forma obróbki cieplnej jest kosztowna, ponieważ wymaga dodatkowego sprzętu, czasu i działań. Z tych powodów obróbka cieplna powinna być podejmowana wyłącznie po dokładnym rozważeniu korzyści, jakie może za sobą nieść. W niektórych przypadkach obróbka cieplna jest obowiązkowa, np. w przypadku ciężkich elementów ze stali niskostopowych, podczas gdy w innych przypadkach jest zalecana jako zabezpieczenie przed przedwczesną awarią w eksploatacji.

Istnieje kilka powodów włączenia tych zabiegów termicznych do procedury spawania. Rozważymy niektóre z najczęstszych.

Podgrzewanie wstępne

Zgodnie z definicją zawartą w standardowych warunkach i definicji spawania AWS, podgrzewanie wstępne to „ciepło przyłożone do metalu rodzimego lub podłoża w celu osiągnięcia i utrzymania danej temperatury”. Temperatura podgrzewania jest określona w tym samym dokumencie, co „temperatura metalu rodzimego w objętości otaczającej punkt spawania bezpośrednio przed rozpoczęciem spawania. W spoinie wielowarstwowej jest to również temperatura bezpośrednio przed rozpoczęciem drugiego i kolejnych ściegów" (temperatura warstwy pośredniej).

Jak wykonać podgrzewanie?

Podgrzewanie może być wykonywane za pomocą palników gazowych, płomieni tlenowo-gazowych, elektrycznych, nagrzewania indukcyjnego lub nagrzewania w piecu. Lepsze wyniki daje równomiernie rozmieszczone wokół obszaru połączenia nagrzewanie. Intensywne, niejednolite ogrzewanie jest mało przydatne w hamowaniu chłodzenia i może powodować wyższe naprężenia szczątkowych, zniekształcenia lub niepożądane zmiany metalurgiczne w materiale rodzimym.

Po określeniu podgrzewania całe połączenie spawane powinno być ogrzewane równomiernie przez całą grubość materiału do pożądanej temperatury minimalnej. Aby uzyskać równomierną temperaturę na całej grubości materiału, zaleca się zastosowanie źródeł ogrzewania po jednej stronie powierzchni materiału i zmierzenie temperatury materiału po stronie przeciwnej.

Za każdym razem, gdy pomiar ogrzewania i temperatury należy przeprowadzić z tej samej powierzchni, inspektor musi sprawdzić, czy podgrzano więcej niż tylko powierzchnię materiału. Należy upewnić się, że cała grubość materiału została podgrzana do równomiernej temperatury.

Oprócz ustalenia temperatury podgrzewania, w przypadku niektórych zastosowań konieczne może być ograniczenie temperatury warstwy pośredniej. Informacje te powinny być przedstawione w specyfikacji procedury spawania. Po określeniu temperatury warstwy pośredniej obszar spoiny musi zostać sprawdzony przed osadzeniem następnego ściegu spawalniczego. Spawanie nie może być kontynuowane, jeśli zmierzona temperatura przekracza maksymalne warunki warstwy pośredniej określone w procedurze spawania. Przed dalszym spawaniem należy poczekać, aż spoina schłodzi się do określonej górnej granicy temperatury warstwy pośredniej.

W zależności od właściwości metalurgicznych materiału i/lub pożądanych właściwości mechanicznych spawanego elementu, mogę istnieć różne przesłanki do pomiaru temperatury podgrzewania i temperatury warstwy pośredniej. Na przykład procedura spawania stali niskostopowej, która ma niską zawartość węgla, stosunkowo niską hartowność i jest stosowana w zastosowaniach bez specjalnych wymagań serwisowych, może uwzględniać minimalne podgrzewanie i temperaturę warstwy pośredniej w oparciu o grubość materiału.

Procedury spawania stosowane w przypadku stali niskostopowych nadających się do obróbki cieplnej i stali chromowo-molibdenowych z wymaganiami udarowymi zwykle określają minimalne i maksymalne wymagania dotyczące temperatury podgrzewania i temperatury warstwy pośredniej. Te niskostopowe materiały mogą mieć wysoką hartowność i są podatne na pękanie wodorowe. Zbyt szybkie chłodzenie tych materiałów lub ich przegrzanie może poważnie wpłynąć na spełnienie wymagań dotyczących wydajności. Podczas spawania stopów niklu mamy do czynienia przede wszystkim z dużym dopływem ciepła podczas operacji spawania. Dopływ ciepła w procesie spawania oraz temperatura podgrzewania i temperatura warstwy pośredniej mogą poważnie wpływać na te materiały. Wysoki dopływ ciepła może powodować nadmierna likwacja składników, wytrącanie węglików spiekanych i inne szkodliwe zjawiska metalurgiczne. Te zmiany metalurgiczne mogą sprzyjać pękaniu lub utracie odporności na korozję. Procedury spawania niektórych stopów aluminium, takich jak seria 2xxx, 6xxx i 7xxx, często uwzględniają ogólną redukcji dopływu ciepła. Dzięki tym materiałom maksymalna temperatura podgrzewania wstępnego i temperatura warstwy pośredniej są kontrolowane, aby zminimalizować wpływ wyżarzania i nadmiernego starzenia się na strefę wpływu ciepła (SWC) i wynikającą z tego utratę wytrzymałości na rozciąganie.

W krytycznych przypadkach temperatura podgrzewania musi być precyzyjnie kontrolowana. W takich sytuacjach stosuje się sterowane systemy grzewcze, a termopary są przymocowane do monitorowania ogrzewanej części. Termopary dostarczają sygnał do jednostki sterującej, która może regulować źródło zasilania wymagane do ogrzewania. Dzięki zastosowaniu takich urządzeń ogrzewana część może być kontrolowana w oparciu o bardzo wąski granice tolerancji.

Dlaczego podgrzewanie wstępne jest koniecznością?

Niektóre z kluczowych powodów podgrzewania to:

a) Usuwanie wilgoci z obszaru spawania: zazwyczaj odbywa się to poprzez ogrzewanie powierzchni materiału do stosunkowo niskiej temperatury, tuż powyżej temperatury wrzenia wody. Powoduje to wysuszenie powierzchni płyty i usunięcie niepożądanych zanieczyszczeń, które w przeciwnym razie mogłyby spowodować porowatość, kruchość wodorową lub pękanie w wyniku wprowadzenia wodoru podczas procesu spawania.

b) Obniżanie gradientu termicznego: wszystkie procesy spawania łukowego wykorzystują wysokotemperaturowe źródło ciepła. Między zlokalizowanym źródłem ciepła a spawanym chłodnym materiałem podstawowym występuje duża różnica temperatur. Różnica ta powoduje różnicową rozszerzalność i kurczenie termiczne oraz wysokie naprężenia wokół spawanego obszaru. Zmniejszenie różnicy temperatur poprzez wstępne podgrzanie materiału rodzimego zminimalizuje problemy związane z odkształceniami i nadmiernymi naprężeniami szczątkowymi. Jeśli wstępne podgrzewanie nie zostanie przeprowadzone, może wystąpić duża różnica temperatur między obszarem spoiny a materiałem macierzystym. Może to powodować szybkie chłodzenie prowadzące do powstawania martenzytu i potencjalnego pękania podczas spawania niektórych materiałów o wysokiej hartowności.

Obróbka cieplna po spawaniu

Stosuje się różne rodzaje obróbki cieplnej po spawaniu w zależności od zastosowania i materiału.

a) Odprężanie – obróbka cieplna po spawaniu jest najczęstszym procesem służącym odciążaniu. Celem odprężania jest usunięcie wszelkich naprężeń wewnętrznych lub szczątkowych, które mogą występować podczas spawania. Odprężanie po spawaniu może być konieczne celem zmniejszenia ryzyka kruchości i pękania, uniknięcia późniejszych zniekształceń podczas obróbki lub wyeliminowania ryzyka korozji naprężeniowej.

b) Uzyskanie odpowiedniej struktury metalurgicznej – w przypadku niektórych stali stopowych konieczna może być obróbka cieplna w celu uzyskania odpowiedniej struktury metalurgicznej. Zabieg ten wykonuje się po ochłodzeniu spoiny, ale w pewnych okolicznościach konieczne może być wykonanie obróbki przed jej ostygnięciem, aby zapobiec pękaniu.

c) Normalizacja po spawaniu – ekstremalnie gruboziarniste konstrukcje spawalnicze ze stali, takie jak te uzyskiwane w procesie spawania elektrożużlowego, mogą wymagać normalizacji po spawaniu. Obróbka ta udoskonala strukturę gruboziarnistego ziarna, zmniejsza naprężenia po spawaniu i usuwa wszelkie twarde strefy w strefie wpływu ciepła.

d) Odzyskanie pierwotnych właściwości – stopy utwardzające wydzieleniowo, takie jak stopy aluminium nadające się do obróbki cieplnej, wymagają czasem obróbki cieplnej po spawaniu, aby odzyskać swoje pierwotne właściwości. W niektórych przypadkach stosuje się tylko obróbkę w postaci starzenia, chociaż połączenie jej z obróbką cieplną pełnego roztworu zapewnia lepszy powrót do pierwotnych właściwości po spawaniu.

Jeśli operacje spawalnicze obejmują wstępne podgrzewanie i/lub obróbkę cieplną po spawaniu, ważne jest, aby inspektor spawalniczy zrozumiał te wymagania. Pozwoli mu to upewnić się, że są one przeprowadzane prawidłowo i zgodnie z odpowiednimi specyfikacjami procedur spawania i/lub przepisami.