Methoden zur Beseitigung von Schweißrestspannungen

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Restspannungen: Nach dem Schweißen von Druckbehältern entstehen im Bereich der Schweißnähte der Struktur Restspannungen. Es entsteht durch innere Spannungen, die dadurch entstehen, dass bei der Schweißung bestimmte Stellen ungleichmäßig erhitzt werden. Dadurch erreicht das Material seine Bruchgrenze, wodurch in diesen Bereichen eine plastische Verformung auftritt. Wenn die Temperatur wieder auf ihren ursprünglichen, gleichmäßigen Wert zurückkehrt, bleiben die inneren Spannungen weiterhin in der Struktur bestehen. Deshalb werden sie als Restspannungen bezeichnet. Die Größe des Spitzenwerts der Schweißrestspannungen sowie ihre Verteilung haben einen direkten negativen Einfluss auf die Fatiguezerstörung sowie das Spannungskorrosionsrisiko von Behältern. Studien haben gezeigt, dass mit dem Schweißen eines Behälters unweigerlich Restspannungen entstehen. Obwohl ihr Entstehungsmechanismus bereits teilweise verstanden wurde, variieren die Werte der Restspannungen stark aufgrund von Unterschieden in den Abmessungen des Druckbehälters, den Schweißverfahren, den Schweißvorgängen sowie den Einschränkungen, die auf den Behälter einwirken. Zudem ist die Verteilung der Restspannungen äußerst komplex. Deshalb sind geeignete Maßnahmen erforderlich, um diese Restspannungen zu beseitigen (oder zu verringern). Dadurch kann während der Herstellung des Druckbehälters eine gute Qualität sowie wirtschaftliche Effizienz gewährleistet werden. Im Betrieb soll außerdem eine sichere Funktionsweise gewährleistet und Unfälle vermieden werden. Überlastungsmethode: Unter kontrollierten Bedingungen wird dem Behälter einmal (oder mehrmals) eine äußere Last aufgebracht, die etwas größer ist als die Last, unter der er im Betrieb steht. Der durch diese Last entstehende Stress addiert sich zu den im Behälter vorhandenen Restspannungen aus dem Schweißen. Solange der resultierende Gesamtsstress unter der Zähigkeitsgrenze des Materials liegt, befindet sich das Material im elastischen Zustand – dabei besteht eine lineare Beziehung zwischen Stress und Dehnung. Wenn der Gesamtsstress die Zähigkeitsgrenze des Materials erreicht, kommt es in den betroffenen Bereichen zu plastischer Deformation. Mit zunehmendem äußeren Stress nimmt auch das Ausmaß der plastischen Deformation zu. Der Stresswert selbst erhöht sich jedoch nicht – oder nur geringfügig. Da der Behälter selbst kontinuierlich ist, kehren während des Entfernens der äußeren Lasten sowohl die Bereiche mit Zugdeformation als auch die Bereiche mit Elastodeformation wieder in ihren elastischen Zustand zurück. Die im Behälter vorhandenen Schweißrestspannungen werden teilweise beseitigt. Die Größe der beseitigten Restspannungen entspricht dem Wert der durch die äußere Last entstandenen Spannungen. Gesamtheitliche Wärmebehandlung: Der vollständig verschweißte Behälter wird mit einer bestimmten Erhitzungsgeschwindigkeit auf eine Temperatur von 500 °C bis Ac1 erhitzt. Anschließend wird die Temperatur für eine Weile beibehalten, damit das verformte Metall rekristallisieren und neue isometrische Kristalle bilden kann. Dadurch werden die verschiedenen Kristallfehler weitgehend beseitigt. Die Festigkeit des Metalls nimmt ab, während seine Zähigkeit zunimmt. Dadurch können die durch das Schweißen entstandenen Restspannungen abgebaut und beseitigt werden. Druckbehälter haben in der Regel eine große Größe, wodurch es nicht möglich ist, sie wie andere kleine Geräte oder Maschinenteile in einen Heizofen zu legen, um sie dort zu wärmebehandeln. Es ist möglich, die Außenwand des Behälters mit einer Isolierschicht zu bedecken, während im Inneren des Behälters Brennstoff eingespritzt wird, um durch Verbrennung hohe Temperaturen zu erzeugen und so für Erwärmung zu sorgen. Ebenfalls möglich ist die thermische Behandlung des gesamten Behälters mithilfe von Elektroheizung. Die Methode der lokalen Wärmebehandlung basiert auf dem gleichen Prinzip wie die vollständige Wärmebehandlung. Heutzutage werden meist Infrarot-Heizplatten oder schienenförmige Widerstandsheizungen verwendet, um die Schweißstellen zu erhitzen. Da es sich um eine lokale Erwärmung handelt, ist die Wirkung bei der Beseitigung von Restspannungen geringer als bei der vollständigen Wärmebehandlung. Es kann lediglich der Spitzenwert der inneren Spannungen verringert werden, sodass die Spannungsverteilung gleichmäßiger wird. Die Restspannungen können jedoch nicht vollständig beseitigt werden. Dennoch kann die lokale Wärmebehandlung die mechanischen Eigenschaften der verschweißten Verbindungen verbessern. Dabei werden in der Regel nur eher einfache verschweißte Verbindungen behandelt. Die Methode der Temperaturunterschiedsdehnung ist eine Methode zur Beseitigung der Restspannungen im Schweißbereich. Dabei wird durch den thermischen Effekt von Temperaturunterschieden ein entgegengesetztes Spannungsfeld erzeugt, wodurch die Restspannungen beseitigt werden können. Der Schlüssel zur Wirksamkeit dieser Methode liegt in der Wahl der Temperaturdifferenz Δt. Δt hängt von der Zugfestigkeit des Materials σs, dem Elastizitätsmodul E sowie vom Wärmeausdehnungskoeffizienten β ab. Solange die Heizzone sowie der Wert von Δt richtig gewählt werden, sodass keine plastischen Verformungen entstehen und somit der plastische Reserve nicht verloren geht, und solange die metallurgische Struktur des Metalls nicht beeinträchtigt wird, kann eine gute Entspannungswirkung erzielt werden. Die Entspannungseffizienz kann 50 % bis 70 % betragen. Diese Methode hat daher einen gewissen Anwendungswert bei Blech- und Schalenstrukturen, deren Schweißnähte regelmäßig geformt sind und deren Dicke nicht allzu groß ist. Schlagverfahren: Durch schnelle, gleichmäßige Schläge entsteht im Schweißmetall eine seitliche plastische Dehnung. Dadurch wird der Zusammenzug des Schweißpunkts teilweise ausgeglichen. Dadurch können die elastischen Verformungen durch die Restspannungen im Schweißbereich verringert werden – somit können die Schweißrestspannungen teilweise beseitigt werden. Explosionsmethode: Durch das Zünden von Bändern, die in der Schweißnaht sowie in ihrer Umgebung angebracht sind, wird die Wechselwirkung zwischen den durch die plötzliche Explosion entstehenden Stoßwellen und den Restspannungen genutzt. Dadurch kommt es zu einer angemessenen plastischen Verformung des Metalls, wodurch die Restspannungen verringert werden. Die Explosionsmethode kann nicht nur die Restspannungen nach dem Schweißen effektiv beseitigen, sondern erzeugt außerdem in dem behandelten Bereich eine bestimmte Menge an Druckspannungen. Dadurch wird die Widerstandsfähigkeit der Schweißverbindungen gegen Zerstörung durch Zugspannungen verbessert – wobei die Wärmebehandlung hierbei nichts ausrichten kann. Die Explosionsmethode weist bei der Inspektion von in Betrieb befindlichen Druckbehältern durch Öffnen eine besondere Eigenschaft auf: Sie ermöglicht es, Restspannungen durch Nacharbeiten von Schweißnähten zu beseitigen.