Spawanie stali 4140: podgrzewanie wstępne, materiał dodatkowy i praktyka po spawaniu

Dlaczego stal 4140 wymaga ostrożności

Stal 4140 (42CrMo4, SCM440) to stal chromowo-molibdenowa o średniej zawartości węgla, której równoważnik węgla wynosi zazwyczaj około 0.75–0.85 — jest to wartość na tyle wysoka, że w strefie wpływu ciepła (SWC) podczas stygnięcia spoiny łatwo tworzy się twardy, kruchy martenzyt. Niemal wszystkie niepowodzenia przy spawaniu stali 4140 wynikają z jednej z trzech przyczyn: zbyt słabego podgrzewania wstępnego, wodoru w stopiwie lub braku obróbki po spawaniu.

Podgrzewanie wstępne: dobierane według CEV i grubości

Podgrzewanie wstępne spowalnia szybkość stygnięcia, dzięki czemu SWC pozostaje poniżej zakresu twardości, w którym tworzą się pęknięcia wodorowe. Zakresy robocze stosowane w praktyce:

Łączna grubość	Typowe podgrzewanie wstępne
Poniżej ~12 mm	150–200 °C
12–25 mm	200–250 °C
25–50 mm	250–300 °C
Powyżej 50 mm	300–350 °C

Grubsze złącza o większym stopniu utwierdzenia znajdują się w górnej części każdego zakresu. Należy podgrzać cały obszar złącza — mniej więcej 75 mm po obu stronach spoiny — i sprawdzić temperaturę kredką termometryczną lub pirometrem, a nie na podstawie barwy. Temperaturę należy utrzymywać przez cały czas wykonywania złącza; w razie przerwania spawania złącze powinno stygnąć powoli pod izolacją, a przed ponownym rozpoczęciem należy przywrócić podgrzewanie wstępne.

Materiały dodatkowe i technika

• Należy stosować niskowodorowe procesy i elektrody (zasadowe elektrody SMAW, odpowiednio wygrzewane, lub spawanie w osłonie gazów drutem litym, przy użyciu suchego i czystego drutu). Elektrody celulozowe nie mają tu zastosowania.
• Wytrzymałość materiału dodatkowego to decyzja projektowa: materiały dodatkowe o wytrzymałości dopasowanej (np. klasy 110–120 ksi lub typu ER80S-D2 dla umiarkowanej wytrzymałości) nadają się do napraw konstrukcyjnych, natomiast bardziej miękkie, ciągliwe stopiwo, takie jak materiał dodatkowy austenityczny typu 309 lub na bazie niklu, wybiera się niekiedy do napawania i napraw tolerujących pęknięcia — kosztem wytrzymałości złącza.
• Należy utrzymywać umiarkowaną energię liniową. Bardzo niska energia liniowa zwiększa ryzyko pękania; bardzo wysoka energia liniowa poszerza strefy zmiękczoną i utwardzoną oraz obniża udarność.
• Należy unikać kraterów oraz gwałtownych rozpoczęć i zakończeń — pęknięcia w kraterach to klasyczna wada stali 4140.

Ścieg odpuszczający i PWHT

W przypadku napraw, w których pełny cykl piecowy jest niepraktyczny, sekwencja ściegu odpuszczającego — każdy ścieg odpuszcza ścieg znajdujący się pod nim, a całość kończy końcowa warstwa odpuszczająca, która jest później szlifowana — może częściowo zastąpić obróbkę, ale musi to być zakwalifikowana procedura, a nie improwizacja.

Zasadniczo spawana stal 4140 powinna zostać poddana obróbce cieplnej po spawaniu: odpuszczaniu odprężającemu mniej więcej w zakresie od 550 °C do pierwotnej temperatury odpuszczania materiału podstawowego (nigdy powyżej tej temperatury, w przeciwnym razie nastąpi utrata wytrzymałości). Wiele warsztatów odpuszcza spawaną część wkrótce po spawaniu, nie dopuszczając do jej pełnego ostygnięcia do temperatury pokojowej, co hamuje pękanie wodorowe w czasie oczekiwania.

Praktyczna lista kontrolna

1. Oczyścić do jasnego metalu; całkowicie usunąć olej, zgorzelinę i popękany materiał — wyszlifować pęknięcia i przed spawaniem sprawdzić je badaniem penetracyjnym barwnym.
2. Ustalić i utrzymywać podgrzewanie wstępne; monitorować temperaturę międzyściegową.
3. Niskowodorowe materiały dodatkowe, umiarkowana energia liniowa, brak skrajnych ruchów oscylacyjnych.
4. Powolne stygnięcie pod izolacją, a następnie PWHT lub odpuszczanie.
5. Przed końcową kontrolą pod kątem pęknięć przy pracach krytycznych odczekać co najmniej 48 godzin — pęknięcia wodorowe mogą wystąpić z opóźnieniem.