溶接残留応力は、溶接によって生じる溶接部の温度分布の不均一性、溶接金属の熱膨張・収縮などにより発生するため、溶接施工に伴って必然的に残留応力が発生します。
残留応力を除去する最も一般的な方法は高温焼戻しであり、すなわち、溶接部を熱処理炉内で一定温度に加熱し、一定時間保持し、高温における材料の降伏限界を低下させることにより、内部応力が高い箇所に塑性流動が生じ、弾性変形が徐々に減少し、塑性変形が徐々に増加して応力が減少する。
1. 熱処理方法の選択
溶接後の熱処理が金属の引張強度とクリープ限界に与える影響は、熱処理の温度と保持時間に関係しています。溶接後の熱処理が溶接金属の衝撃靭性に与える影響は、鋼種によって異なります。
溶接後の熱処理は、一般的には単一の高温焼戻し、または焼ならしと高温焼戻しを採用しています。ガス溶接継手の場合、焼ならしと高温焼戻しが使用されます。これは、ガス溶接シームと熱影響部の結晶粒が粗く、結晶粒を微細化する必要があるため、焼ならしが使用されるためです。
しかし、一回の焼ならしでは残留応力を除去できないため、応力を除去するには高温焼戻しが必要です。一回の中温焼戻しは、現場で組み立てられる大型の一般低炭素鋼容器の組み立てと溶接にのみ適しており、その目的は残留応力を部分的に除去し、水素を除去することです。
ほとんどの場合、単一の高温焼戻しが使用されます。熱処理の加熱と冷却は速すぎてはならず、内壁と外壁は均一でなければなりません。
2.圧力容器の熱処理方法
圧力容器に使用される熱処理方法には、機械的特性を向上させるための熱処理と、溶接後熱処理（PWHT）の 2 種類があります。大まかに言えば、溶接後熱処理は、ワークピースを溶接した後に溶接領域または溶接部品を熱処理することです。
具体的な内容としては、応力除去焼鈍、完全焼鈍、固体溶解、焼ならし、焼ならし焼戻し、焼戻し、低温応力除去、析出熱処理などが挙げられる。
狭義には、溶接後熱処理は応力緩和焼鈍のみを指し、つまり、溶接部の性能を向上させ、溶接残留応力の有害な影響を排除するために、溶接部および関連部品を金属相転移温度点2以下に均一かつ完全に加熱し、その後均一に冷却するプロセスを指します。多くの場合、議論されている溶接後熱処理は、本質的に溶接後応力緩和熱処理です。
3.溶接後熱処理の目的
1). 溶接残留応力を緩和する。
2). 構造物の形状とサイズを安定させ、歪みを軽減します。
3) 母材と溶接継手のパフォーマンスを向上します。
a. 溶接金属の可塑性を向上させる。
b. 熱影響部の硬度を低下させます。
c. 破壊靭性を向上させる。
d. 疲労強度を向上させる。
e. 冷間成形で低下した降伏強度を回復または増加します。
4). 応力腐食に対する耐性を向上させる。
5). 溶接金属内の有害ガス、特に水素をさらに放出し、遅れ割れの発生を防止します。
4. PWHTの必要性の判断
圧力容器の溶接後熱処理の必要性は設計時に明確に規定する必要があり、現在の圧力容器の設計仕様ではこれが求められています。
溶接圧力容器では、溶接部に大きな残留応力が存在し、残留応力は悪影響を及ぼします。特定の条件下では、残留応力が溶接部の水素と結合すると、熱影響部の硬化を促進し、冷間割れや遅れ割れが発生します。
溶接部の残留静的応力や負荷運転時の動的負荷応力が媒体の腐食効果と組み合わさると、亀裂状の腐食、いわゆる応力腐食が発生する可能性があります。溶接残留応力と溶接による母材の硬化は、応力腐食割れの重要な要因です。
研究結果によると、変形と残留応力が金属材料に及ぼす主な影響は、金属を均一腐食から局部腐食、つまり粒界腐食または粒内腐食に変化させることです。もちろん、金属の腐食割れと粒界腐食は、その金属に特定の特性を持つ媒体で発生します。
残留応力が存在する場合、腐食媒体の組成、濃度、温度、さらに母材と溶接部の組成、構造、表面状態、応力状態などの相違によっても変化し、腐食損傷の性質が変化することがあります。
溶接圧力容器に溶接後熱処理を施す必要があるかどうかは、容器の用途や大きさ（特に壁板の厚さ）、使用材料の特性、作業条件などを総合的に判断する必要があります。以下のいずれかの状況では、溶接後熱処理を検討する必要があります。
1) 低温作業時に脆性破壊の恐れがある厚肉容器や、大きな荷重や交番荷重がかかる容器など、使用条件が過酷です。
2). 一定限度を超える厚さの溶接圧力容器。特別な規制や仕様のあるボイラー、石油化学圧力容器などを含む。
3). 寸法安定性に優れた圧力容器。
4) 硬化しやすい鋼鉄製の容器。
5). 応力腐食割れの危険性がある圧力容器。
6). 特別な規則、仕様、図面で指定されたその他の圧力容器。
鋼製溶接圧力容器では、溶接部に近い領域に降伏点までの残留応力が発生します。この応力の発生は、オーステナイトが混在する組織の変態に関係しています。多くの研究者は、溶接後の残留応力を除去するために、650度の焼き戻しが鋼製溶接圧力容器に良い効果をもたらす可能性があることを指摘しています。
同時に、溶接後に適切な熱処理を行わないと、必ずしも耐腐食性のある溶接継手が得られるとは限らないと考えられています。
一般的に、応力緩和熱処理は、溶接ワークピースを 500-650 度に加熱し、その後ゆっくりと冷却するプロセスであると考えられています。応力の減少は、炭素鋼では 450 度から、モリブデン含有鋼では 550 度から始まる高温でのクリープによるものです。
温度が高いほど、応力を緩和しやすくなります。しかし、鋼本来の焼き戻し温度を超えると、鋼の強度が低下します。したがって、応力緩和の熱処理には、温度と時間という2つの要素をマスターする必要があります。
しかし、溶接部の内部応力には、引張応力と圧縮応力が常に伴っており、応力と弾性変形が同時に存在します。鋼材の温度が上昇すると、降伏強度が低下し、本来の弾性変形が塑性変形となり、応力緩和となります。
加熱温度が高いほど、内部応力が十分に緩和されます。ただし、温度が高すぎると、鋼の表面がひどく酸化されます。また、焼入れ焼戻し鋼のPWHT温度については、原則として鋼の元の焼戻し温度を超えてはなりません。これは通常、鋼の元の焼戻し温度より約30度低くなります。そうしないと、材料は焼入れ焼戻し効果を失い、強度と破壊靭性が低下します。この点は、熱処理作業者が特に注意する必要があります。
内部応力を除去するための溶接後熱処理温度が高いほど、鋼の軟化度合いが大きくなります。通常、内部応力は鋼の再結晶温度まで加熱することで除去できます。再結晶温度は溶融温度と密接な関係があります。
一般的には再結晶温度はK=0.4×融点（K）です。熱処理温度が再結晶温度に近いほど、残留応力を除去する効果が高まります。
5. PWHTの総合的効果の検討
溶接後熱処理は絶対的に有利というわけではありません。一般的に、溶接後熱処理は残留応力を緩和するのに有益であり、応力腐食に対する厳しい要件がある場合にのみ実行されます。
しかし、試験片の衝撃靭性試験では、溶接後の熱処理は堆積金属および溶接熱影響部の靭性に良くなく、溶接熱影響部の結晶粒粗大化範囲内で粒界割れが発生する場合があることが示されています。
さらに、PWHT は、応力緩和を実現するために高温での材料強度の低下に依存しています。そのため、PWHT 中は構造の剛性が失われる可能性があります。全体または部分的な PWHT の構造については、熱処理前に高温での溶接部を考慮する必要があります。支持力。
したがって、溶接後熱処理を実施するかどうかを検討する際には、熱処理のメリットとデメリットを総合的に比較する必要があります。構造性能の観点から見ると、性能が向上する側面と、性能が低下する側面があり、両方の側面を総合的に考慮して合理的な判断を行う必要があります。
