การเชื่อมเหล็ก 4140: การอุ่นก่อนเชื่อม ลวดเชื่อม และแนวปฏิบัติหลังการเชื่อม

เหตุใด 4140 จึงต้องใช้ความระมัดระวัง

4140 (42CrMo4, SCM440) เป็นเหล็กกล้าคาร์บอนปานกลางผสมโครเมียม-โมลิบดีนัม ที่มีค่าคาร์บอนเทียบเท่าโดยทั่วไปอยู่ราว 0.75–0.85 — สูงพอที่บริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) จะเกิดมาร์เทนไซต์ที่แข็งและเปราะได้ง่ายขณะแนวเชื่อมเย็นตัวลง ความล้มเหลวในการเชื่อม 4140 เกือบทั้งหมดสืบย้อนไปถึงสาเหตุใดสาเหตุหนึ่งในสามสาเหตุต่อไปนี้: การอุ่นก่อนเชื่อมน้อยเกินไป ไฮโดรเจนในเนื้อโลหะเชื่อม หรือไม่มีการอบหลังการเชื่อม

การอุ่นก่อนเชื่อม: กำหนดขนาดตาม CEV และความหนา

การอุ่นก่อนเชื่อมชะลออัตราการเย็นตัว เพื่อให้ HAZ คงอยู่ต่ำกว่าช่วงความแข็งที่รอยแตกจากไฮโดรเจนก่อตัวขึ้น ช่วงใช้งานที่ใช้ในทางปฏิบัติ:

ความหนารวม	การอุ่นก่อนเชื่อมโดยทั่วไป
ต่ำกว่า ~12 mm	150–200 °C
12–25 mm	200–250 °C
25–50 mm	250–300 °C
มากกว่า 50 mm	300–350 °C

รอยต่อที่หนากว่าและถูกยึดรั้งมากกว่าจะอยู่ด้านบนของแต่ละช่วง อุ่นพื้นที่รอยต่อทั้งหมด — ราว 75 mm ในแต่ละด้านของแนวเชื่อม — และตรวจสอบด้วยดินสอวัดอุณหภูมิหรือไพโรมิเตอร์ ไม่ใช่ด้วยสี รักษาอุณหภูมิไว้ตลอดทั้งรอยต่อ หากการเชื่อมถูกขัดจังหวะ ให้ปล่อยให้รอยต่อเย็นตัวช้า ๆ ภายใต้ฉนวน และสร้างการอุ่นก่อนเชื่อมขึ้นใหม่ก่อนเริ่มเชื่อมต่อ

วัสดุสิ้นเปลืองและเทคนิค

• ใช้กระบวนการและลวดเชื่อม ไฮโดรเจนต่ำ (ลวดเชื่อมเชื่อมอาร์กด้วยมือแบบเบสิกที่อบอย่างถูกต้อง หรือการเชื่อม GMAW ด้วยลวดตันที่แห้งและสะอาด) ลวดเชื่อมเซลลูโลสไม่มีที่ทางที่นี่
• ความแข็งแรงของลวดเชื่อมเป็นทางเลือกในการออกแบบ: ลวดเชื่อมที่เข้ากัน (เช่น ระดับ 110–120 ksi หรือประเภท ER80S-D2 สำหรับความแข็งแรงปานกลาง) เหมาะกับการซ่อมแซมเชิงโครงสร้าง ในขณะที่เนื้อโลหะเชื่อมที่นุ่มกว่าและเหนียวกว่า เช่น ลวดเชื่อมออสเทนนิติกประเภท 309 หรือลวดเชื่อมฐานนิกเกิล บางครั้งถูกเลือกสำหรับการพอกเสริมและการซ่อมแซมที่ทนต่อการแตกร้าว — โดยมีต้นทุนคือความแข็งแรงของรอยต่อ
• รักษาปริมาณความร้อนเข้าไว้ในระดับปานกลาง ปริมาณความร้อนเข้าที่ต่ำมากจะเพิ่มความเสี่ยงต่อการแตกร้าว ปริมาณความร้อนเข้าที่สูงมากจะขยายบริเวณที่อ่อนตัวและบริเวณที่แข็งตัว และทำให้สูญเสียความเหนียว
• หลีกเลี่ยงหลุมปลายแนวเชื่อมและการเริ่ม/หยุดอย่างกะทันหัน — รอยแตกที่หลุมปลายแนวเชื่อมเป็นข้อบกพร่องคลาสสิกของ 4140

การเชื่อมแบบ Temper bead และ PWHT

สำหรับการซ่อมแซมที่การอบในเตาเต็มรอบทำได้ไม่สะดวก ลำดับ temper bead — แต่ละแนวเชื่อมอบคืนตัวแนวเชื่อมที่อยู่ใต้มัน ปิดท้ายด้วยชั้นอบคืนตัวสุดท้ายที่จะถูกเจียรออกในภายหลัง — สามารถทดแทนได้บางส่วน แต่ต้องเป็นขั้นตอนที่ผ่านการรับรอง ไม่ใช่การด้นสด

ตามหลักทั่วไป 4140 ที่เชื่อมแล้วควรได้รับ การอบชุบด้วยความร้อนหลังการเชื่อม: การอบคืนตัวเพื่อคลายความเค้น ราวระหว่าง 550 °C กับอุณหภูมิการอบคืนตัวเดิมของวัสดุฐาน (ต้องไม่สูงกว่านั้น มิฉะนั้นจะสูญเสียความแข็งแรง) โรงงานหลายแห่งอบคืนตัวชิ้นงานที่เชื่อมแล้วไม่นานหลังการเชื่อม โดยไม่ปล่อยให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิห้องอย่างเต็มที่ ซึ่งช่วยยับยั้งการแตกร้าวจากไฮโดรเจนในระหว่างรอ

รายการตรวจสอบเชิงปฏิบัติ

1. ทำความสะอาดจนถึงโลหะที่เงาสว่าง กำจัดน้ำมัน สเกล และวัสดุที่แตกร้าวออกให้หมด — เจียรรอยแตกออกและตรวจสอบด้วยสารแทรกซึมก่อนการเชื่อม
2. สร้างและรักษาการอุ่นก่อนเชื่อมไว้ ตรวจสอบอุณหภูมิระหว่างแนวเชื่อม
3. วัสดุสิ้นเปลืองไฮโดรเจนต่ำ ปริมาณความร้อนเข้าปานกลาง ไม่มีการส่ายที่มากเกินไป
4. ปล่อยให้เย็นช้าภายใต้ฉนวน จากนั้นทำ PWHT หรืออบคืนตัว
5. รออย่างน้อย 48 ชั่วโมงก่อนการตรวจสอบรอยแตกขั้นสุดท้ายสำหรับงานที่สำคัญ — รอยแตกจากไฮโดรเจนอาจเกิดขึ้นล่าช้าได้