Framställning och reparation av axlar, kugghjul, smidesjärn och många andra tunga utrustningstillämpningar kräver material som tål tuffa och krävande förhållanden. I dessa fall används ofta låglegerade AISI/SAE 4130- och 4140-stål eftersom deras kemiska sammansättning gör att de kan värmebehandlas till hög draghållfasthet och hårdhet. Specifikationerna för AISI/SAE 4130 och 4140 hänvisar endast till ett intervall för kemisk sammansättning, till skillnad från både ett intervall för kemisk sammansättning och mekaniska egenskaper. Både 4130 och 4140 har kol, krom (0,80 procent till 1,15 procent) och molybden (0,15 procent till 0,25 procent) som primära legeringselement. De skiljer sig något åt när det gäller kolinnehållet: 4130 har nominellt 0,3 procent kol, medan 4140 har nominellt 0,4 procent. Styrkan hos båda materialen kan förändras kraftigt beroende på vilken termisk behandling som har utförts: glödgning, normalisering eller avkylning och anlöpning. Flamhärdning kan användas för att ytterligare härda utsidan av dessa material samtidigt som insidan förblir relativt mjuk.
Den styrka de har gör 4130- och 4140-stålen väl lämpade för komponenter som t.ex. kugghjul som kräver hög hållfasthet och hållbarhet. De högre kol-, krom- och molybdennivåerna som gör dessa material starka och mycket härdbara gör dem dock också mer känsliga för sprickbildning. Ta reda på de vanligaste utmaningarna och bästa metoderna för svetsning av 4130- och 4140-stål, både vid nytillverkning och reparationssvetsning, och hur rätt tillsatsmetall kan bidra till framgång.
TIPS FÖR SVETSNING AV 4130- OCH 4140STÅL
Många av utmaningarna och de bästa metoderna för svetsning av 4130- och 4140-stål är desamma, oavsett om det rör sig om svetsning av nytt material eller om reparationer. Tänk på dessa sex viktiga steg när du svetsar eller reparerar 4130 och 4140:
- Identifiera termisk behandling. Nytillverkning utförs vanligtvis på material i glödgat eller normaliserat tillstånd. Det rekommenderas inte att svetsa 4130- eller 4140-stål i släckt och härdat eller fallhärdat tillstånd utan att först utföra glödgning eller normalisering i det område som ska svetsas.
- Välj en tillsatsmetall. Att välja rätt tillsatsmetall för 4130- och 4140-stål beror på materialets tillstånd före svetsning, komponentens konstruktionskrav och materialets önskade tillstånd efter svetsning. För material som lämnas i svetsat eller efter svetsning spänningslöst tillstånd är matchning av grundmetallens draghållfasthet i levererat skick en vanlig avgörande faktor vid val av tillsatsmetall. Det är typiskt att använda en låglegerad tillsatsmetall som inte har samma kemiska sammansättning som basmaterialet 4130/4140, men som ändå ger lämpliga mekaniska egenskaper för både svetsat och eftersvetsat värmebehandlat (PWHT) tillstånd. Om en komponent ska repareras många gånger under sin livslängd – där varje reparation kräver en cykel för avlastning efter svetsning – ska man dock se till att tillsatsmetallen fortsätter att ge önskade mekaniska egenskaper efter den totala tiden för avlastning.
Undermatchning av draghållfastheten hos 4130- och 4140-basmetallen – val av en tillsatsmetall som är svagare än basmetallen – gör det möjligt att förbättra svetsmetallens duktilitet och utmattningslivslängd, men det kan hända att svetsen inte klarar av att motstå de höga påfrestningar som krävs enligt en viss komponents utformning. Att överanpassa draghållfastheten hos svetsar av 4130 och 4140 – att välja en tillsatsmetall som är starkare än basmetallen – rekommenderas vanligtvis inte, eftersom den extra draghållfastheten korrelerar med en förlust av duktilitet som ytterligare kan öka svetsmetallens sprickkänslighet. Svetsar som ska glödgas eller normaliseras efter svetsning kan gynnas av en 4130 eller 4140 tillsatsmetall, respektive. Även om tillsatsmetaller av 4130 och 4140 ger en spröd svetsad avlagring, återställer den ”återställda” mikrostrukturen genom glödgning eller normalisering duktiliteten hos både den svetsade metallen och den värmepåverkade basmetallen.
Svetsar som ska släckas och anlöpas efter svetsning kräver användning av en 4130 eller 4140 tillsatsmetall, eftersom de flesta låglegerade tillsatsmetaller med tillräcklig draghållfasthet saknar det kol som krävs för att reagera på lämpligt sätt efter ett släcknings- och anlöpningsalternativ. - Applicera förvärmning. Den högre härdbarheten hos 4130- och 4140-stål ökar den lätthet med vilken en hård, spröd mikrostruktur i den värmepåverkade zonen eller utspädd svetsmetall bildas efter svetsning. Förvärmning är nödvändig för att uppnå konsekventa svetsar av hög kvalitet. Genom att fastställa och bibehålla en lägsta förvärmnings- och mellanpassningstemperatur fördröjs svetsens och grundmetallens avkylningshastighet för att förhindra eller minimera bildandet av spröda mikrostrukturer. Säkerställ en korrekt förvärmning genom att använda tillräckliga temperaturer, vanligtvis från 550 grader F till 800 grader F vid svetsning av tjocka komponenter, och genom att värma genom hela tjockleken på grundmaterialet, i stället för att bara uppnå temperatur på ytan. Genom att använda induktionsuppvärmning kan man på ett effektivt sätt uppnå korrekt uppvärmning i hela detaljen. Se också till att förvärmningstemperaturen fastställs på tillräckligt avstånd från svetsfogen, vanligtvis minst tre tum i alla riktningar. Större svetsgods kan gynnas av ett ännu större förvärmningsområde runt svetsfogen.
- Utför svetsning. I likhet med förvärmnings- och mellanpassningstemperaturen kan en för låg värmetillförsel påskynda svetsens avkylningshastighet till en punkt där spröda mikrostrukturer bildas, vilket skadar duktilitet och seghet. Värmetillförseln ökas genom att öka spänningen och strömstyrkan och minska hastigheten. Tänk på effekterna av dessa variabler när du utvecklar ett svetsförfarande för sammanfogning av 4130- och 4140-stål.
- Långsam kylning. Att hålla svetsen vid förvärmningstemperaturen under en viss tid efter svetsningen, följt av att täcka svetsen med keramisk isolering, är fördelaktigt eftersom detta möjliggör diffusion av väte från svetsmetallen och den värmepåverkade zonen (HAZ). En hålltid på 30 minuter till en timme per en tum av grundmaterialets tjocklek rekommenderas. Denna process är informellt känd som hydrogen bake-out och skiljer sig från spänningsavlastning efter svetsning.
- Tillämpa termisk behandling efter svetsning. Värmebehandling efter svetsning kan hjälpa till att lindra spänningar som skapats av svetsning och som kan bidra till sprickbildning i den färdiga svetsen. Avlastning av dessa restspänningar kan också vara fördelaktigt före maskinbearbetning för att hjälpa till att bibehålla snäva toleranser. Tunnt material (mindre än 1/8 tum tjockt) kräver vanligtvis ingen spänningsavlastning eftersom sprickbildning är ett mindre problem. Tjockare material avlastas vanligen vid 1 050-1 250 grader F i ungefär en timme per tum av grundmaterialets tjocklek. Som tidigare nämnts ska man alltid ta hänsyn till tiderna och temperaturen för en termisk behandling efter svetsning – oavsett om det är PWHT, glödgning, normalisering eller släckning och anlöpning – för att säkerställa att den tillsatsmetall som ska användas kommer att ge eller bibehålla tillräckliga mekaniska egenskaper.
TIPS FÖR REPARATION AV 4130 OCH 4140 STÅL
Reparation av 4130- eller 4140-stål är ofta mer komplicerad än nytillverkning av materialen, eftersom komponenten som ska repareras kan vara sliten, fet eller smutsig. Det kan också vara svårare att samla in information om materialets tidigare termiska behandling. Rådfråga alltid den ursprungliga utrustningsinformationen för vägledning och för att få en bättre förståelse för eventuella termiska behandlingar eller konstruktionskrav för komponenten. Det är särskilt viktigt att identifiera hur komponenten värmebehandlades – om den är glödgad, normaliserad, släckt och härdad eller flamhärdad – innan man genomför en reparation. En del som har släckts och härdats är till exempel vanligtvis mindre duktil och mer sprickkänslig, vilket gör den mycket svårare att reparera. I dessa fall kan lokal glödgning eller normalisering runt svetsen före reparationen vara till hjälp, men var medveten om att detta påverkar materialets hållfasthet. En hårdgörningsprodukt kan behövas om ytans hårdhet var ett primärt skäl. Om det är nödvändigt att återställa grundmaterialets styrka kan det konditioneras igen med hjälp av termisk behandling efter reparationen.
En korrekt förberedelse av materialet före reparationen bidrar också till att säkerställa hög svetskvalitet. Svetsning över olja eller fett kan bidra till porositet i svetsmetallen och diffuserbart väte i svetsbeläggningen, vilket ökar risken för väteinducerad sprickbildning. Det räcker kanske inte att bara ta bort synlig olja och fett. Överväg istället ångavfettning för att avlägsna föroreningar som fastnat djupt inne i basmaterialets porer som öppnats av förhöjda temperaturer. Här är några ytterligare tips för två specifika typer av reparationer:
- Reparation av sprickor: Oavsett grundmaterial är det komplicerat att reparera sprickor. Reparationerna lider ofta av högre fogbegränsning som introducerar ytterligare spänningar och ökar risken för sprickbildning. Innan du försöker utföra reparationer bör du utföra en inspektion med färgpenetranter (PT) eller magnetiska partiklar (MT) för att identifiera sprickans fulla omfattning. Avlägsna det spruckna området med hjälp av slipning eller en båggougeringsprocess. Det borttagna området bör bilda ett brett ”V” eller ”U” för att förhindra att bristande smältning eller stelningssprickor uppstår vid svetsning. Använd förhettning när du utför en båggouglingsprocess av samma skäl som förhettning används vid svetsning. För att minimera risken för att en befintlig spricka fortsätter att fortplanta sig under en reparation, borra båda ändarna av sprickan. Innan svetsning ska du se till att sprickan har avlägsnats helt och hållet, återigen med antingen PT eller MT. Efter denna omfattande förberedelse kan svetsningen äntligen börja.
- Uppbyggnad och överlagring: Denna typ av reparation avser återställande av komponenterna till deras ursprungliga dimensioner och, när det gäller överlagring, applicering av en beläggning som ger en hårdhet som är jämförbar med den som kan uppnås genom släckning och anlöpning eller sätthärdning. För att lyckas med dessa reparationer bör man överväga tillsatsmetaller för build-up och overlay. Overlay-produkter tenderar att vara hårdare än build-up-produkter, men har ofta begränsningar i tjocklek, medan build-up-produkter vanligtvis inte har det. Detta innebär att när man använder överlagringsprodukter över ett visst antal lager har svetsföremålet inte god duktilitet och kan vara sprickkänsligt eller helt enkelt splittras från basmetallen. Build-up-produkter används för att återställa en produkt till dimension när den tjocklek som ska återställas överskrider den som tillåts för en overlay-produkt.
Sluttande tankar
På grund av den höga härdbarheten hos 4130- och 4140-stålen är val av tillsatsmetall, vätgasreglering och kylningshastighet kritiska överväganden för att uppnå bästa resultat. För att säkerställa framgång i svetstillämpningar för tung utrustning:
- Verifiera alla konstruktionskrav och termisk behandling av basmaterialet före svetsning.
- Välj en tillsatsmetall som ger tillräckliga mekaniska egenskaper för delar som lämnas i svetsat eller spänningsavlastat tillstånd.
- Välj en tillsatsmetall som matchar basmetallens kemi för komponenter som ska glödgas, normaliseras eller släckas och anlöpas efter svetsning.
- Välj en minsta värmetillförsel och förvärmnings-/interpassningstemperatur för att hjälpa till att bromsa svetsens avkylningshastighet.