重型設備焊接中的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，因為它們的化學成分可以將它們熱處理成高拉伸強度和硬度。AISI / SAE 4130和4140規范僅指化學成分范圍，而不是化學成分和機械性能范圍。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％。兩種材料的強度都可能根據所執行的熱處理而發生很大變化：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，同時保持內部相對柔軟。
它們的強度使4130和4140鋼非常適合要求高強度和耐用性的組件，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焊接中焊接4130和4140鋼的常見挑戰和更佳實踐，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行維修，焊接4130和4140鋼的許多挑戰和更佳實踐都是相同的。在焊接或維修4130和4140時，請考慮以下六個重要步驟：
- 確定熱處理。通常在退火或歸一化條件下對材料執行新的制造。不建議在未進行退火或正火的待焊接區域進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，組件設計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力的狀態下保留的材料，在選擇填充金屬時，一個共同的決定因素就是所提供的賤金屬的抗拉強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基礎材料的化學成分，但仍能為焊接后和焊接后熱處理（PWHT）條件提供合適的機械性能。然而， 4130和4140母材的拉伸強度不匹配-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力組件的設計。通常不建議選擇4130和4140焊件的抗拉強度過高（選擇比母材強的填充金屬），因為額外的抗拉強度會導致延展性降低，從而進一步提高焊縫金屬的裂紋敏感性。焊接后要進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填充金屬會產生脆的焊后沉積物， 焊接后要進行淬火和回火的焊縫需要使用4130或4140填充金屬，因為大多數具有足夠抗拉強度的低合金填充金屬缺少在淬火和回火選項后能適當響應的碳。
- 進行預熱。4130和4140鋼的較高淬透性提高了在焊接后在熱影響區或稀釋的焊縫金屬中形成堅硬，脆性顯微組織的難易程度。預熱對于實現一致的高質量焊縫是必不可少的。建立并保持更低的預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構的形成。通過使用足夠的溫度（通常在焊接厚的部件時從550華氏度到800華氏度），并加熱整個基材厚度，而不是僅在表面上達到溫度，來確保適當的預熱。使用感應加熱可以幫助有效地實現整個零件的正確加熱。還，確保將預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熱面積。
- 進行焊接。與預熱和層間溫度相似，當熱量輸入過低時，它會加速焊縫冷卻速度，使之形成脆性微結構，從而損害延展性和韌性。通過增加電壓和安培數并降低行進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，請考慮這些變量的影響。
- 冷卻緩慢。焊接后將焊件在預熱溫度下保持一段時間，然后在陶瓷絕緣材料中覆蓋焊件，這是有益的，因為這允許氫從焊縫金屬和熱影響區（HAZ）擴散。建議每1英寸厚的基材保持30分鐘至1個小時的時間。此過程被非正式地稱為氫烘烤，它不同于焊后應力消除。
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進行焊后熱處理。焊后熱處理可幫助緩解焊接產生的應力，這些應力可能會導致更終焊縫開裂。這些殘余應力的釋放在機械加工之前也可能是有益的，以幫助維持嚴格的公差。薄的材料（厚度小于1/8的厚度）通常不需要應力釋放，因為開裂問題較少。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的應力。如前所述，請始終考慮焊后熱處理的時間和溫度（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雜，因為所維修的部件可能磨損，油膩或臟污。收集有關材料的先前熱處理的信息也可能會更加困難。請始終查閱原始設備信息以獲取指導，并更好地了解組件的任何熱處理或設計要求。在完成維修之前，確定零件如何進行熱處理（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，修復前在焊縫周圍進行局部退火或正火可以幫助您，但請注意，這會影響材料的強度。如果表面硬度是主要考慮因素，則可能需要表面硬化產品。如果需要恢復基礎材料的強度，則可以在修復后通過熱處理再次對其進行調節。
維修前正確準備材料也有助于確保高焊接質量。油脂上的焊接會導致焊接金屬中的孔隙率和焊縫中擴散的氫，從而增加氫引發裂紋的可能性。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：無論基材如何，裂紋修復都是復雜的。維修過程中經常受到較高的關節約束，從而增加了額外的應力并增加了開裂的風險。嘗試維修之前，請執行滲透染料（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域。去除的區域應形成一個寬的“ V”或“ U”，以幫助防止在焊接過程中發生熔合或凝固裂紋的缺乏。出于與焊接過程中使用預熱相同的原因，在執行任何氣刨過程時都應使用預熱。為了更大程度地減少維修過程中現有裂紋繼續傳播的風險，請在裂紋的兩端進行鉆孔。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：這種類型的修復是指將零件恢復到其原始尺寸，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。疊層產品往往比積層產品更難，但往往有厚度限制，而積層產品通常沒有厚度限制。這意味著當使用超過一定層數的堆焊產品時，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。當要恢復的厚度超過覆蓋產品允許的厚度時，將積層產品用于恢復產品的尺寸。
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果的關鍵考慮因素。為確保在重型設備焊接應用中取得成功，請執行以下操作：
- 焊接前，請驗證所有設計要求和基礎材料熱處理。
- 選擇一種填充金屬，該金屬可為留在焊接或應力消除條件下的零件提供足夠的機械性能。
- 對于要在焊接后進行退火，正火或淬火和回火的組件，請選擇與母材的化學性質相匹配的填充金屬。
- 選擇更小的熱量輸入和預熱/中間溫度，以幫助降低焊縫冷卻速度。
