重型设备焊接中的4130和4140钢材的制造和维修

这些钢的强度非常适合要求高强度和耐用性的零件，但是它们较高的碳，铬和钼含量也使其更易于开裂。这里有一些见解，可以在新的制造过程中和维修过程中焊接这些钢，以及正确的填充金属如何帮助确保成功。
由于具有较高的淬透性，因此4130和4140钢材通常用于轴，齿轮和锻件。但是他们也容易开裂，因此需要在焊接后进行退火，正火或淬火和回火的组件，选择与，母材的化学性质相匹配的正确填充金属非常重要。这样可确保填充金属和产生的焊缝沉积物将对焊后热处理做出与基材相同的反应。

轴，齿轮，锻件和许多其他重型设备的制造与维修要求材料能够承受苛刻的苛刻条件。在这些情况下，通常使用AISI / SAE 4130和4140低合金钢，因为它们的化学成分可以将它们热处理成高拉伸强度和硬度。AISI / SAE 4130和4140规范仅指化学成分范围，而不是化学成分和机械性能范围。4130和4140均具有碳，铬（0.80％至1.15％）和钼（0.15％至0.25％）作为主要合金元素。它们的碳含量略有不同：4130的名义碳为0.3％，而4140的名义碳为0.4％。两种材料的强度都可能根据所执行的热处理而发生很大变化：退火，正火或淬火和回火。火焰硬化可用于额外硬化这些材料的外部，同时保持内部相对柔软。

它们的强度使4130和4140钢非常适合要求高强度和耐用性的组件，例如齿轮。但是，较高的碳，铬和钼含量使这些材料坚固且高度可硬化，也使它们更易于开裂。考虑一下在新制造和修复焊接中焊接4130和4140钢的常见挑战和最佳实践，以及正确的填充金属如何帮助确保成功。

焊接4130和4140钢的技巧
无论是涉及焊接新材料还是进行维修，焊接4130和4140钢的许多挑战和最佳实践都是相同的。在焊接或维修4130和4140时，请考虑以下六个重要步骤：

1. 确定热处理。通常在退火或归一化条件下对材料执行新的制造。不建议在未进行退火或正火的待焊接区域进行淬火和回火或表面硬化的情况下焊接4130或4140钢。
2. 选择填充金属。为4130和4140钢选择合适的填充金属取决于焊接之前材料的条件，组件设计要求以及焊接之后材料的期望条件。对于在焊接后或焊接后消除应力的状态下保留的材料，在选择填充金属时，一个共同的决定因素就是所提供的贱金属的抗拉强度是否与所提供的相匹配。通常使用低合金填充金属，该金属不具有4130/4140基础材料的化学成分，但仍能为焊接后和焊接后热处理（PWHT）条件提供合适的机械性能。然而，
   4130和4140母材的拉伸强度不匹配-选择比母材弱的填充金属-可以改善焊缝金属的延展性和疲劳寿命，但可能不允许焊缝承受特殊要求的高应力组件的设计。通常不建议选择4130和4140焊件的抗拉强度过高（选择比母材强的填充金属），因为额外的抗拉强度会导致延展性降低，从而进一步提高焊缝金属的裂纹敏感性。焊接后要进行退火或正火的焊缝可分别受益于4130或4140填充金属。尽管4130和4140填充金属会产生脆的焊后沉积物，
   焊接后要进行淬火和回火的焊缝需要使用4130或4140填充金属，因为大多数具有足够抗拉强度的低合金填充金属缺少在淬火和回火选项后能适当响应的碳。
3. 进行预热。4130和4140钢的较高淬透性提高了在焊接后在热影响区或稀释的焊缝金属中形成坚硬，脆性显微组织的难易程度。预热对于实现一致的高质量焊缝是必不可少的。建立并保持最低的预热和层间温度会减慢焊缝和母材的冷却速度，以防止或最小化脆性微结构的形成。通过使用足够的温度（通常在焊接厚的部件时从550华氏度到800华氏度），并加热整个基材厚度，而不是仅在表面上达到温度，来确保适当的预热。使用感应加热可以帮助有效地实现整个零件的正确加热。还，确保将预热温度与焊接接头保持足够的距离，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缝周围更大的预热面积。
4. 进行焊接。与预热和层间温度相似，当热量输入过低时，它会加速焊缝冷却速度，使之形成脆性微结构，从而损害延展性和韧性。通过增加电压和安培数并降低行进速度来增加热量输入。在制定用于连接4130和4140钢的焊接程序时，请考虑这些变量的影响。
5. 冷却缓慢。焊接后将焊件在预热温度下保持一段时间，然后在陶瓷绝缘材料中覆盖焊件，这是有益的，因为这允许氢从焊缝金属和热影响区（HAZ）扩散。建议每1英寸厚的基材保持30分钟至1个小时的时间。此过程被非正式地称为氢烘烤，它不同于焊后应力消除。
6. 进行焊后热处理。焊后热处理可帮助缓解焊接产生的应力，这些应力可能会导致最终焊缝开裂。这些残余应力的释放在机械加工之前也可能是有益的，以帮助维持严格的公差。薄的材料（厚度小于1/8的厚度）通常不需要应力释放，因为开裂问题较少。通常，较厚的材料会在1,050华氏度至1,250华氏度的压力下释放每英寸基材厚度约一小时的应力。如前所述，请始终考虑焊后热处理的时间和温度（无论是PWHT，退火，正火还是淬火和回火），以确保所用的填充金属将提供或保持足够的机械性能。

维修4130和4140钢材的提示
维修4130或4140钢通常比用这种材料制造新工艺更为复杂，因为所维修的部件可能磨损，油腻或脏污。收集有关材料的先前热处理的信息也可能会更加困难。请始终查阅原始设备信息以获取指导，并更好地了解组件的任何热处理或设计要求。在完成维修之前，确定零件如何进行热处理（退火，正火，淬火和回火或火焰硬化）尤为重要。例如，已淬火和回火的零件通常延展性较低，并且对裂纹的敏感性更高，从而使其维修起来更加困难。在这种情况下，修复前在焊缝周围进行局部退火或正火可以帮助您，但请注意，这会影响材料的强度。如果表面硬度是主要考虑因素，则可能需要表面硬化产品。如果需要恢复基础材料的强度，则可以在修复后通过热处理再次对其进行调节。

维修前正确准备材料也有助于确保高焊接质量。油脂上的焊接会导致焊接金属中的孔隙率和焊缝中扩散的氢，从而增加氢引发裂纹的可能性。仅仅去除可见的油脂可能是不够的。相反，可以考虑对蒸汽进行脱脂，以去除因高温而打开的深陷于基材孔隙中的污染物。以下是针对两种特定类型的维修的一些其他提示：

• 裂纹修复：无论基材如何，裂纹修复都是复杂的。维修过程中经常受到较高的关节约束，从而增加了额外的应力并增加了开裂的风险。尝试维修之前，请执行渗透染料（PT）或磁性颗粒（MT）检查，以查明裂纹的全部范围。使用打磨或弧刨工艺去除破裂的区域。去除的区域应形成一个宽的“ V”或“ U”，以帮助防止在焊接过程中发生熔合或凝固裂纹的缺乏。出于与焊接过程中使用预热相同的原因，在执行任何气刨过程时都应使用预热。为了最大程度地减少维修过程中现有裂纹继续传播的风险，请在裂纹的两端进行钻孔。焊接之前，请确保再次用PT或MT完全消除了裂纹。
• 堆积和覆盖：这种类型的修复是指将零件恢复到其原始尺寸，并且在覆盖的情况下，施加沉积物，其硬度可与淬火，回火或表面硬化所获得的硬度相媲美。为了成功完成这些维修，请考虑堆积和覆盖的填充金属。叠层产品往往比积层产品更难，但往往有厚度限制，而积层产品通常没有厚度限制。这意味着当使用超过一定层数的堆焊产品时，焊缝的延展性不好，可能对裂纹敏感，或者仅从母材上分裂出来。当要恢复的厚度超过覆盖产品允许的厚度时，将积层产品用于恢复产品的尺寸。

闭口方法
由于4130和4140钢具有很高的淬透性，因此选择填充金属，控制氢气和冷却速率是获得最佳结果的关键考虑因素。为确保在重型设备焊接应用中取得成功，请执行以下操作：

• 焊接前，请验证所有设计要求和基础材料热处理。
• 选择一种填充金属，该金属可为留在焊接或应力消除条件下的零件提供足够的机械性能。
• 对于要在焊接后进行退火，正火或淬火和回火的组件，请选择与母材的化学性质相匹配的填充金属。
• 选择最小的热量输入和预热/中间温度，以帮助降低焊缝冷却速度。