Förvärmning och värmebehandlingar efter svetsning

Förvärmning och värmebehandlingar efter svetsning

Vad svetsinspektören bör veta om förvärmning och eftersvetsvärmebehandling.

Vid svetsning av vissa grundmaterial och för vissa driftsförhållanden kan förvärmning och/eller värmebehandling efter svetsning vara ett krav. Dessa typer av värmebehandlingar krävs för att säkerställa lämplig svetsintegritet och kommer vanligtvis att förhindra eller ta bort oönskade egenskaper i den färdiga svetsen. All form av värmebehandling är kostsam eftersom det kräver extra utrustning, extra tid och extra hantering. Av dessa skäl bör värmebehandling endast utföras efter noggrant övervägande av de fördelar den kan erbjuda. I vissa fall kommer värmebehandling att vara obligatorisk, som med tunga sektioner av låglegerade stål, medan det i andra fall kommer att vara en berättigad försiktighetsåtgärd mot tidig driftfel.

Det finns flera anledningar till att dessa termiska behandlingar införlivas i svetsmetoden. Vi kommer att överväga några av de vanligaste.

Förvärmning

Förvärmning, enligt definitionen i AWS standardsvetsvillkor och definition, är "den värme som appliceras på grundmaterialet eller substratet för att uppnå och bibehålla förvärmningstemperaturen." Förvärmningstemperaturen definieras av samma dokument som "temperaturen på grundmaterialet i volymen som omger svetspunkten omedelbart innan svetsningen påbörjas. I en flergångssvets är det också temperaturen omedelbart innan den andra och efterföljande svetsningen påbörjas" (mellansträngstemperatur).

Hur man utför förvärmning

Förvärmning kan utföras med gasbrännare, syrgaslågor, elektriska filtar, induktionsvärme eller uppvärmning i en ugn. För överlägsna resultat är det viktigt att uppvärmningen är jämn runt fogområdet. Intensiv, ojämn uppvärmning är till liten användning för att bromsa nedkylning och kan vara skadlig för att orsaka högre kvarvarande spänningar, distorsion eller oönskade metallurgiska förändringar i grundmaterialet.

När förvärmning är specificerad bör hela svetsfogen värmas jämnt genom materialtjockleken till önskad lägsta temperatur. För att få en jämn temperatur genom materialtjockleken är det önskvärt att applicera värmekällorna på ena sidan av materialytan och att mäta materialtemperaturen på den motsatta sidan.

Närhelst uppvärmningen och temperaturmätningen måste utföras från samma yta, ska inspektören försäkra sig om att mer än bara materialets yta har värmts upp. Det är viktigt att säkerställa att hela materialtjockleken har värmts upp till en jämn temperatur.

Förutom att fastställa en förvärmningstemperatur, kan en mellansträngstemperaturbegränsning behöva övervägas för vissa applikationer. Denna information ska visas i svetsmetodens specifikation. När en mellansträngstemperatur anges måste svetsområdet inspekteras innan nästa svetssträng avsätts. Svetsningen får inte fortsätta om den uppmätta temperaturen överskrider de maximala mellansträngstemperaturvillkoren som anges i svetsmetoden. Svetsen måste tillåtas svalna till den angivna övre gränsen för mellansträngstemperaturen innan svetsningen fortsätter.

Beroende på materialets metallurgiska egenskaper och/eller de önskade mekaniska egenskaperna hos den svetsade komponenten, kan förvärmning och mellansträngstemperatur utvärderas av olika skäl. Till exempel kan en procedur för svetsning av mjukt stål, som har en låg kolhalt, relativt låg härdbarhet och används i en applikation utan speciella servicekrav, överväga en lägsta förvärmnings- och mellansträngstemperatur baserat på materialtjockleken.

Svetsprocedurer som används för de värmebehandlade låglegerade stålen och krom-molybdenstålen med slagkrav kommer normalt att specificera ett minimi- och maximikrav för förvärmnings- och mellansträngstemperaturer. Dessa låglegerade material kan ha hög härdbarhet och är känsliga för vätesprickor. Att låta dessa material svalna för snabbt eller överhetta dem kan allvarligt påverka deras prestandakrav. Vid svetsning av nickellegeringarna är vi främst angelägna om hög värmetillförsel under svetsningen. Värmetillförseln från svetsprocessen och förvärmnings- och mellansträngstemperaturen kan allvarligt påverka dessa material. Hög värmetillförsel kan resultera i överdriven konstitutionell vätska, karbidutfällning och andra skadliga metallurgiska fenomen. Dessa metallurgiska förändringar kan främja sprickbildning eller förlust av korrosionsbeständighet. Procedurer för svetsning av vissa aluminiumlegeringar, såsom den värmebehandlade, 2xxx, 6xxx och 7xxx-serien, handlar ofta om en total minskning av värmetillförseln. Med dessa material kontrolleras den maximala förvärmnings- och mellansträngstemperaturen för att minimera dess glödgnings- och överåldringspåverkan på den värmepåverkade zonen (HAZ) och därav följande förlust i draghållfasthet.

I kritiska applikationer måste förvärmningstemperaturen kontrolleras noggrant. I dessa situationer används styrbara värmesystem, och termoelement är fästa för att övervaka den del som värms upp. Dessa termoelement ger en signal till styrenheten som kan reglera den strömkälla som krävs för uppvärmning. Genom att använda denna typ av utrustning kan delen som värms upp kontrolleras till extremt snäva toleranser.

Varför förvärmning krävs

Några av de viktigaste skälen till förvärmning är:

a) För att driva bort fukt från svetsområdet: Vanligtvis utförs detta genom att värma upp materialets yta till en relativt låg temperatur, strax över vattnets kokpunkt. Detta kommer att torka plattans yta och ta bort de oönskade föroreningarna som annars kan orsaka porositet, väteförsprödning eller sprickbildning genom införandet av väte under svetsprocessen.

b) För att sänka den termiska gradienten: Alla bågsvetsprocesser använder en högtemperaturvärmekälla. En brant temperaturskillnad uppstår mellan den lokaliserade värmekällan och det kalla basmaterialet som svetsas. Denna temperaturskillnad orsakar differentiell termisk expansion och kontraktion och höga spänningar runt det svetsade området. Att minska temperaturskillnaden genom att förvärma grundmaterialet kommer att minimera problem i samband med distorsion och överdriven restspänning. Om förvärmning inte utförs kan en stor temperaturskillnad uppstå mellan svetsområdet och grundmaterialet. Detta kan orsaka snabb nedkylning, vilket leder till bildning av martensit och sannolik sprickbildning vid svetsning av vissa material med hög härdbarhet.

Eftersvetsvärmebehandling

Olika typer av eftersvetsvärmebehandlingar används av olika anledningar och olika material.

a) Avspänning – Värmebehandling efter svetsning används oftast för avspänning. Syftet med avspänningsavlastning är att avlägsna eventuella inre eller kvarvarande spänningar som kan finnas från svetsoperationen. Avlastning efter svetsning kan vara nödvändig för att minska risken för sprödbrott, undvika efterföljande förvrängning vid bearbetning eller eliminera risken för spänningskorrosion.

b) Skaffa lämplig metallurgisk struktur – För vissa legerade stål kan en termisk härdningsbehandling vara nödvändig för att få en lämplig metallurgisk struktur. Denna behandling utförs efter att svetsen har svalnat, men under vissa omständigheter kan det vara nödvändigt att utföra denna behandling innan den har svalnat för att förhindra sprickbildning.

c) Normalisering efter svetsning – Extremt grova svetskonstruktioner i stål, såsom de som erhålls med elektroslaggsvetsningsprocessen, kan kräva normalisering efter svetsning. Denna behandling kommer att förfina den grova kornstrukturen, minska spänningarna efter svetsning och ta bort eventuella hårda zoner i den värmepåverkade zonen.

d) Återta sina ursprungliga egenskaper – De nederbördshärdande legeringarna, såsom de värmebehandlingsbara aluminiumlegeringarna, måste ibland genomgå värmebehandling efter svetsning för att återfå sina ursprungliga egenskaper. I vissa fall används endast en åldringsbehandling, även om en fulllösningsvärmebehandling och artificiell åldringsbehandling ger bättre återhämtning av egenskaper efter svetsning.

När svetsoperationerna involverar förvärmning och/eller värmebehandling efter svetsning, är det viktigt att svetsinspektören förstår dessa krav för att säkerställa att de utförs korrekt och i enlighet med relevanta svetsförfarandespecifikationer och/eller kodkrav.