重型設(shè)備焊接中的4130和4140鋼材的制造和維修
軸，齒輪，鍛件和許多其他重型設(shè)備的制造與維修要求材料能夠承受苛刻的苛刻條件。在這些情況下，通常使用AISI / SAE 4130和4140低合金鋼，因?yàn)樗鼈兊幕瘜W(xué)成分可以將它們熱處理成高拉伸強(qiáng)度和硬度。AISI / SAE 4130和4140規(guī)范僅指化學(xué)成分范圍，而不是化學(xué)成分和機(jī)械性能范圍。4130和4140均具有碳，鉻（0.80％至1.15％）和鉬（0.15％至0.25％）作為主要合金元素。它們的碳含量略有不同：4130的名義碳為0.3％，而4140的名義碳為0.4％。兩種材料的強(qiáng)度都可能根據(jù)所執(zhí)行的熱處理而發(fā)生很大變化：退火，正火或淬火和回火。火焰硬化可用于額外硬化這些材料的外部，同時(shí)保持內(nèi)部相對柔軟。
它們的強(qiáng)度使4130和4140鋼非常適合要求高強(qiáng)度和耐用性的組件，例如齒輪。但是，較高的碳，鉻和鉬含量使這些材料堅(jiān)固且高度可硬化，也使它們更易于開裂。考慮一下在新制造和修復(fù)焊接中焊接4130和4140鋼的常見挑戰(zhàn)和更佳實(shí)踐，以及正確的填充金屬如何幫助確保成功。
焊接4130和4140鋼的技巧 無論是涉及焊接新材料還是進(jìn)行維修，焊接4130和4140鋼的許多挑戰(zhàn)和更佳實(shí)踐都是相同的。在焊接或維修4130和4140時(shí)，請考慮以下六個(gè)重要步驟：
- 確定熱處理。通常在退火或歸一化條件下對材料執(zhí)行新的制造。不建議在未進(jìn)行退火或正火的待焊接區(qū)域進(jìn)行淬火和回火或表面硬化的情況下焊接4130或4140鋼。
- 選擇填充金屬。為4130和4140鋼選擇合適的填充金屬取決于焊接之前材料的條件，組件設(shè)計(jì)要求以及焊接之后材料的期望條件。對于在焊接后或焊接后消除應(yīng)力的狀態(tài)下保留的材料，在選擇填充金屬時(shí)，一個(gè)共同的決定因素就是所提供的賤金屬的抗拉強(qiáng)度是否與所提供的相匹配。通常使用低合金填充金屬，該金屬不具有4130/4140基礎(chǔ)材料的化學(xué)成分，但仍能為焊接后和焊接后熱處理（PWHT）條件提供合適的機(jī)械性能。然而， 4130和4140母材的拉伸強(qiáng)度不匹配-選擇比母材弱的填充金屬-可以改善焊縫金屬的延展性和疲勞壽命，但可能不允許焊縫承受特殊要求的高應(yīng)力組件的設(shè)計(jì)。通常不建議選擇4130和4140焊件的抗拉強(qiáng)度過高（選擇比母材強(qiáng)的填充金屬），因?yàn)轭~外的抗拉強(qiáng)度會導(dǎo)致延展性降低，從而進(jìn)一步提高焊縫金屬的裂紋敏感性。焊接后要進(jìn)行退火或正火的焊縫可分別受益于4130或4140填充金屬。盡管4130和4140填充金屬會產(chǎn)生脆的焊后沉積物， 焊接后要進(jìn)行淬火和回火的焊縫需要使用4130或4140填充金屬，因?yàn)榇蠖鄶?shù)具有足夠抗拉強(qiáng)度的低合金填充金屬缺少在淬火和回火選項(xiàng)后能適當(dāng)響應(yīng)的碳。
- 進(jìn)行預(yù)熱。4130和4140鋼的較高淬透性提高了在焊接后在熱影響區(qū)或稀釋的焊縫金屬中形成堅(jiān)硬，脆性顯微組織的難易程度。預(yù)熱對于實(shí)現(xiàn)一致的高質(zhì)量焊縫是必不可少的。建立并保持更低的預(yù)熱和層間溫度會減慢焊縫和母材的冷卻速度，以防止或更小化脆性微結(jié)構(gòu)的形成。通過使用足夠的溫度（通常在焊接厚的部件時(shí)從550華氏度到800華氏度），并加熱整個(gè)基材厚度，而不是僅在表面上達(dá)到溫度，來確保適當(dāng)?shù)念A(yù)熱。使用感應(yīng)加熱可以幫助有效地實(shí)現(xiàn)整個(gè)零件的正確加熱。還，確保將預(yù)熱溫度與焊接接頭保持足夠的距離，通常在所有方向上至少保持三英寸。更大的焊件可能受益于焊縫周圍更大的預(yù)熱面積。
- 進(jìn)行焊接。與預(yù)熱和層間溫度相似，當(dāng)熱量輸入過低時(shí)，它會加速焊縫冷卻速度，使之形成脆性微結(jié)構(gòu)，從而損害延展性和韌性。通過增加電壓和安培數(shù)并降低行進(jìn)速度來增加熱量輸入。在制定用于連接4130和4140鋼的焊接程序時(shí)，請考慮這些變量的影響。
- 冷卻緩慢。焊接后將焊件在預(yù)熱溫度下保持一段時(shí)間，然后在陶瓷絕緣材料中覆蓋焊件，這是有益的，因?yàn)檫@允許氫從焊縫金屬和熱影響區(qū)（HAZ）擴(kuò)散。建議每1英寸厚的基材保持30分鐘至1個(gè)小時(shí)的時(shí)間。此過程被非正式地稱為氫烘烤，它不同于焊后應(yīng)力消除。
-
進(jìn)行焊后熱處理。焊后熱處理可幫助緩解焊接產(chǎn)生的應(yīng)力，這些應(yīng)力可能會導(dǎo)致更終焊縫開裂。這些殘余應(yīng)力的釋放在機(jī)械加工之前也可能是有益的，以幫助維持嚴(yán)格的公差。薄的材料（厚度小于1/8的厚度）通常不需要應(yīng)力釋放，因?yàn)殚_裂問題較少。通常，較厚的材料會在1,050華氏度至1,250華氏度的壓力下釋放每英寸基材厚度約一小時(shí)的應(yīng)力。如前所述，請始終考慮焊后熱處理的時(shí)間和溫度（無論是PWHT，退火，正火還是淬火和回火），以確保所用的填充金屬將提供或保持足夠的機(jī)械性能。
維修4130和4140鋼材的提示 維修4130或4140鋼通常比用這種材料制造新工藝更為復(fù)雜，因?yàn)樗S修的部件可能磨損，油膩或臟污。收集有關(guān)材料的先前熱處理的信息也可能會更加困難。請始終查閱原始設(shè)備信息以獲取指導(dǎo)，并更好地了解組件的任何熱處理或設(shè)計(jì)要求。在完成維修之前，確定零件如何進(jìn)行熱處理（退火，正火，淬火和回火或火焰硬化）尤為重要。例如，已淬火和回火的零件通常延展性較低，并且對裂紋的敏感性更高，從而使其維修起來更加困難。在這種情況下，修復(fù)前在焊縫周圍進(jìn)行局部退火或正火可以幫助您，但請注意，這會影響材料的強(qiáng)度。如果表面硬度是主要考慮因素，則可能需要表面硬化產(chǎn)品。如果需要恢復(fù)基礎(chǔ)材料的強(qiáng)度，則可以在修復(fù)后通過熱處理再次對其進(jìn)行調(diào)節(jié)。
維修前正確準(zhǔn)備材料也有助于確保高焊接質(zhì)量。油脂上的焊接會導(dǎo)致焊接金屬中的孔隙率和焊縫中擴(kuò)散的氫，從而增加氫引發(fā)裂紋的可能性。僅僅去除可見的油脂可能是不夠的。相反，可以考慮對蒸汽進(jìn)行脫脂，以去除因高溫而打開的深陷于基材孔隙中的污染物。以下是針對兩種特定類型的維修的一些其他提示：
- 裂紋修復(fù)：無論基材如何，裂紋修復(fù)都是復(fù)雜的。維修過程中經(jīng)常受到較高的關(guān)節(jié)約束，從而增加了額外的應(yīng)力并增加了開裂的風(fēng)險(xiǎn)。嘗試維修之前，請執(zhí)行滲透染料（PT）或磁性顆粒（MT）檢查，以查明裂紋的全部范圍。使用打磨或弧刨工藝去除破裂的區(qū)域。去除的區(qū)域應(yīng)形成一個(gè)寬的“ V”或“ U”，以幫助防止在焊接過程中發(fā)生熔合或凝固裂紋的缺乏。出于與焊接過程中使用預(yù)熱相同的原因，在執(zhí)行任何氣刨過程時(shí)都應(yīng)使用預(yù)熱。為了更大程度地減少維修過程中現(xiàn)有裂紋繼續(xù)傳播的風(fēng)險(xiǎn)，請?jiān)诹鸭y的兩端進(jìn)行鉆孔。焊接之前，請確保再次用PT或MT完全消除了裂紋。
- 堆積和覆蓋：這種類型的修復(fù)是指將零件恢復(fù)到其原始尺寸，并且在覆蓋的情況下，施加沉積物，其硬度可與淬火，回火或表面硬化所獲得的硬度相媲美。為了成功完成這些維修，請考慮堆積和覆蓋的填充金屬。疊層產(chǎn)品往往比積層產(chǎn)品更難，但往往有厚度限制，而積層產(chǎn)品通常沒有厚度限制。這意味著當(dāng)使用超過一定層數(shù)的堆焊產(chǎn)品時(shí)，焊縫的延展性不好，可能對裂紋敏感，或者僅從母材上分裂出來。當(dāng)要恢復(fù)的厚度超過覆蓋產(chǎn)品允許的厚度時(shí)，將積層產(chǎn)品用于恢復(fù)產(chǎn)品的尺寸。
閉口方法 由于4130和4140鋼具有很高的淬透性，因此選擇填充金屬，控制氫氣和冷卻速率是獲得更佳結(jié)果的關(guān)鍵考慮因素。為確保在重型設(shè)備焊接應(yīng)用中取得成功，請執(zhí)行以下操作：
- 焊接前，請驗(yàn)證所有設(shè)計(jì)要求和基礎(chǔ)材料熱處理。
- 選擇一種填充金屬，該金屬可為留在焊接或應(yīng)力消除條件下的零件提供足夠的機(jī)械性能。
- 對于要在焊接后進(jìn)行退火，正火或淬火和回火的組件，請選擇與母材的化學(xué)性質(zhì)相匹配的填充金屬。
- 選擇更小的熱量輸入和預(yù)熱/中間溫度，以幫助降低焊縫冷卻速度。
