Wie man Fahrrad von Grund auf mit CAD und Blech
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Dieser Artikel behandelt den Prozess der Nachschweiß-Wärmebehandlung (NSWB) und deren Wirksamkeit bei der Reduzierung von Eigenspannungen sowie der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Schweißverbindungen.
Die Nachschweiß-Wärmebehandlung (NSWB) bezeichnet jede Wärmebehandlung, die nach dem Bearbeitungs- oder Schweißvorgang durchgeführt wird, um die mechanischen und chemischen Eigenschaften der bearbeiteten Oberflächen beziehungsweise der Schweißverbindung zu verbessern. Beim Schweißen entstehen Eigenspannungen in einer Konstruktion, die langfristig zu Verformungen führen können. Zudem nehmen diese Spannungen bei komplexeren oder größeren Bauteilen und Strukturen zu.
Während des Schweißprozesses, bei dem Metalle miteinander verbunden werden, kommt es zu einer je nach Kohlenstoffgehalt unterschiedlichen Härtung in der Wärmeeinflusszone nahe der Schweißnaht. Die resultierenden Eigenspannungen in der Konstruktion steigen durch das Erstarren und Schmelzen stark an und erreichen nahezu die Streckgrenze des Grundwerkstoffs.
In der Regel wird die NSWB eingesetzt, um Eigenspannungen zu reduzieren und die Widerstandsfähigkeit gegenüber Sprödbruch zu erhöhen. Darüber hinaus kann die NSWB auch die Festigkeit des Materials steigern und die Härte verringern. Spannungsarmglühen und Nachwärmen gehören zu den am häufigsten angewandten NSWB-Verfahren. Die Notwendigkeit einer NSWB wird im Wesentlichen durch Anwendungs- und Normvorgaben sowie das Einsatzumfeld bestimmt.
Das Nachwärmen wird eingesetzt, um das Risiko wasserstoffinduzierter Rissbildung (HIC) zu verringern. HIC tritt typischerweise dann auf, wenn die Schweißverbindung eine empfindliche Mikrostruktur, hohe Spannungen und/oder einen ausreichenden Wasserstoffgehalt aufweist.
Bei ferritischen Stählen erfolgt eine Wasserstoffversprödung bei Temperaturen nahe der Umgebungstemperatur. Rissbildungen in solchen empfänglichen Mikrostrukturen können verhindert werden, indem Wasserstoff unmittelbar nach dem Schweißen aus dem Schweißbereich ausdiffundieren kann, bevor der Stahl auf Raumtemperatur abgekühlt ist.
Der Stahl muss von der Zwischenschichttemperatur auf die Nachwärmtemperatur erhitzt und für eine bestimmte Zeit auf dieser Temperatur gehalten werden. Typischerweise wird eine Nachwärmtemperatur von 230 °C für eine Stunde je Zoll Wanddicke eingehalten.
Das Nachwärmen kann durch Regelwerke vorgeschrieben sein, da sowohl der ASME Section III als auch der National Board Inspection Code (NBIC) entsprechende Vorgaben enthalten.
Zudem ist das Nachwärmen häufig bei kritischen Reparaturen erforderlich, wie sie zum Beispiel im Rahmen des Fracture Control Plans (FCP) für nicht redundante Bauteile nach dem AASHTO/AWS D1.5 Brückenschweißcode definiert sind. Ist die Ursache für wasserstoffinduzierte Rissbildung jedoch ausgeschlossen, ist das Nachwärmen nicht erforderlich.
Das Spannungsarmglühen wird angewandt, um die bei der Herstellung in einer Schweißkonstruktion eingebrachten Spannungen abzubauen. Die Eigenspannungen werden reduziert, indem das Bauteil gleichmäßig auf eine ausreichend hohe Temperatur erhitzt, für eine festgelegte Zeit (abhängig von der Materialdicke) auf dieser Temperatur gehalten und anschließend gleichmäßig abgekühlt wird.
Die Temperatur darf dabei jedoch unterhalb des unteren Umwandlungsbereichs liegen. Bei Kohlenstoffstählen erfolgt das Spannungsarmglühen häufig bei 600 bis 675 °C für eine Stunde je Zoll Wanddicke. Durch das Spannungsarmglühen wird das Risiko von Rissbildungen in der Schweißverbindung verringert, indem die Härte reduziert und die Duktilität erhöht wird. Weitere wesentliche Vorteile des spannungsarmglühenden NSWB sind die Verbesserung der metallurgischen Struktur und der Abbau thermischer Spannungen.
In einer Studie, veröffentlicht im Fachjournal Procedia Engineering, untersuchten Forscher den Einfluss von NSWB-Parametern wie Haltezeit und Haltetemperatur auf die Entspannung von Schweißeigenspannungen bei elektronstrahlgeschweißten P91-Stahlplatten, um den Prozess zu optimieren.
Ein numerisches thermo-elastisch-plastisches Modell wurde zur Simulation des Plattenschweißens entwickelt, während die NSWB anhand des Norton-Kriechgesetzes durchgeführt und die Eigenspannungen nach der Entspannung ermittelt wurden. Die Haltetemperatur wurde konstant bei 770 °C gehalten, während die Haltezeit variiert wurde, um deren Einfluss auf die Entspannung der Eigenspannungen zu bewerten.
Ebenso wurde die Haltezeit auf 1,5 Stunden festgelegt, um die Entspannung der Eigenspannungen bei Haltetemperaturen von 550 °C, 650 °C und 770 °C zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Haltezeit nur bis zu zwei Stunden signifikant war; danach wurde keine wesentliche Entspannung mehr festgestellt.
Im Gegensatz dazu wurde eine größere Entspannung der Eigenspannungen mit steigender Haltetemperatur beobachtet, was darauf hinweist, dass der Einfluss der Haltetemperatur auf die Entspannung deutlich größer ist als jener der Haltezeit. Die maximale Haltetemperatur für die NSWB beträgt jedoch 770 °C, da diese unter der Austenitstarttemperatur liegen muss.
Zu lange Haltezeiten oder zu hohe Temperaturen beim spannungsarmglühenden NSWB können die Festigkeit des Werkstoffs verringern. Auch Anlassbehandlungen können die Festigkeit von vergüteten Werkstoffen reduzieren. Daher müssen Temperatur und Zeit sorgfältig kontrolliert werden, um Festigkeitsverluste zu vermeiden.
Die Spannungsarmglüh- oder Anlasstemperaturen senken die Festigkeit des Werkstoffs erheblich. Ein Bauteil kann daher bei Belastung während des NSWB-Prozesses ausknicken oder sich verformen, was zu erheblichen und kostenintensiven Schäden führen kann. Aus diesem Grund müssen alle während der NSWB hohen Temperaturen ausgesetzten Strukturen ausreichend abgestützt werden, um Verformungen zu vermeiden.
In einer aktuellen Studie, veröffentlicht im Journal of Manufacturing Process, untersuchten Wissenschaftler die Auswirkungen modifizierter Wärmebehandlungen während der NSWB auf die mechanischen Eigenschaften und die Mikrostruktur von ungleichen Schweißverbindungen aus Super304H und T91.
Für die Herstellung der ungleichen Schweißverbindungen wurde das Wolfram-Inertgasschweißen mit ERNiCr-3 als Zusatzwerkstoff verwendet. Anschließend wurden zwei NSWB-Verfahren durchgeführt: das direkte Nachschweiß-Anlassen (PWDT) und das Nachschweiß-Normalisieren und Anlassen (PWNT). Das PWDT erfolgte eine Stunde bei 760 °C, das PWNT für 30 Minuten bei 1050 °C mit anschließendem Anlassen für eine Stunde bei 760 °C.
Die Ergebnisse zeigten nach dem PWNT eine homogenere Mikrostruktur im Vergleich zum PWDT. Zudem führte das PWDT zur Ausbildung grober Chromkarbide an den Korngrenzen, was eine Sensibilisierung auf der Super304H-Seite anzeigt, während das PWNT zu feinen Chromkarbiden führte, was auf eine verzögerte Sensibilisierung hindeutet.
Die Anfälligkeit der feinkörnigen Wärmeeinflusszone für Typ-IV-Rissbildung konnte durch die PWNT-Behandlung auf der T91-Seite erkannt und eliminiert werden. Die verbesserte Mikrostruktur nach PWNT zeigte zudem einen klaren Zusammenhang mit den verbesserten mechanischen Eigenschaften im Vergleich zur PWDT-Behandlung.
So lagen beispielsweise Zähigkeit, Dehnung, Zugfestigkeit und 0,2 %-Dehngrenze für PWNT bei 132 MJ/m³, 22 %, 691 MPa und 384 MPa, während dieselben Werte für PWDT bei 109 MJ/m³, 20 %, 649 MPa und 324 MPa lagen. Allerdings wurde in beiden Fällen ein Versagen im Schweißnahtbereich aufgrund grober Niob/Titan-Karbide festgestellt.
Zusammengefasst ist die NSWB einer der entscheidenden Prozesse, die nach dem Schweißen eingesetzt werden können, um Eigenspannungen effektiv zu reduzieren und die mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindung zu verbessern.
