Miksi et voi hitsata kovettua terästä?

Karkaistu teräs -, joka tunnetaan suuresta lujuudestaan ​​ja kovuudestaan ​​lämpökäsittelyn vuoksi (esim. Sammutus ja karkaisu) - asettaa merkittäviä haasteita hitsauksessa. Vaikka hitsata ei ole mahdotonta, on erittäin vaikea tehdä niin vahingoittamatta materiaalia tai luomatta heikkoja, epävakaita niveliä. Ydinkysymys on siinä, kuinka hitsauksen lämpö on vuorovaikutuksessa teräksen mikrorakenteen kanssa, mikä johtaa ongelmien kaskadiin. Tässä on yksityiskohtainen erittely:
1. Mikä tekee kovettuneesta terästä "kovettuneeksi"?
Ensinnäkin on kriittistä ymmärtää, miksi karkaistu teräs käyttäytyy eri tavalla. Karkaistu teräs saavuttaa ominaisuutensa lämmönkäsittelyprosessin kautta:
• Sammutus: Teräksen lämmitys korkeisiin lämpötiloihin (esim. 800–900 asteeseen) tasaisen "austeniitti" -mikrorakenteen muodostamiseksi, jäähdyttämällä sitten nopeasti (vedessä tai öljyssä) hiiliatomien vangitsemiseksi, jolloin martensiitiksi kutsuttu kova, hauras vaihe.
• Tämä martensiittinen rakenne antaa kovettuneelle teräkselle korkean kovuuden (usein 50+ HRC), mutta tekee siitä myös hauran ja herkän lämmölle.
2. Tärkeimmät syyt hitsautuneena teräs on ongelmallista
Hitsaus käsittää sulamisen ja uudelleen - jähmettyvän metallin, joka koehenee kovettuneita terästä äärimmäisiin lämpötilan muutoksiin. Nämä muutokset häiritsevät sen mikrorakennetta ja aiheuttavat väistämättömiä kysymyksiä:
a. Nopea jäähdytys aiheuttaa enemmän martensiittia - ja halkeilua
Kun hitsausuima -allas jäähtyy, lämpö - vaikuttanut vyöhyke (HAZ) - hitsauksen ympärillä oleva alue, joka ei sulaa, mutta lämmitetään - rajujen lämpötilansiirtymät:
• HAZ kuumennetaan teräksen "kriittisen lämpötilan" yläpuolella (noin 723 astetta), muuttaen sen olemassa olevan martensiitin takaisin austeniitiksi.
• Hitsauksen jäähtyessä tämä austeniitti palaa martensiittiin jopa nopeammin kuin alkuperäisen kovettumisprosessin aikana (hitsauksen paikallisen, voimakkaan lämmön vuoksi).
• Tämä uuden martensiitin nopea muodostuminen aiheuttaa äärimmäistä sisäistä stressiä, koska martensiitti on tiheämpi kuin austeniitti, mikä johtaa kylmän halkeiluun (kutsutaan myös "vety - aiheuttamaan halkeamiseen") HAZ: ssa tai Weldissä.
b. Vetyhallinta pahentaa halkeilua
Hitsaus tuo vetyä teräkseen, usein kosteudesta ilmassa, vuodossa tai saastuneissa pinnoissa. Karkaisen teräksen martensiittinen rakenne vangitsee tämän vedyn, joka:
• heikentää metallin kykyä vastustaa stressiä.
• Yhdistetään martensiitin muodostumisen sisäiseen jännitykseen halkeamien laukaisuun, joskus tunteja tai päiviä hitsauksen jälkeen.
c. Kovuuden menetys Haz: ssä
Vaikka joistakin HAZ: n osista tulee vaikeampaa (ja hauraampaa) uudesta martensiitista, toiset alueet lämmitetään lämpötiloihin, jotka "karkaisivat" olemassa olevaa martensiittia:
• Karkaisu pehmentää martensiittia vähentäen kovuutta näillä alueilla.
• Tämä luo "pehmeän pisteen" HAZ: iin, heikentäen teräksen aiottua lujuutta ja kulumiskestävyyttä.
d. Haureus lisää murtumisriskiä
Karkaistu teräs on jo hauras sen martentisen rakenteensa vuoksi. Hitsaus pahentaa tätä:
• HAZ: sta tulee entistä hauraampaa uudesta martensiitti- tai karbidin muodostumisesta (jos teräs on korkea - hiili).
• Toisin kuin siunausmetallit, jotka taipuvat stressissä, tämä hauras alue voi murtua yhtäkkiä kuorman alla, mikä johtaa katastrofaaliseen vajaatoimintaan.
3. Onko mitään tapaa hitsata kovettuneita terästä?
Vaikka hitsauslaite ei ole mahdotonta, se vaatii erikoistuneita tekniikoita vaurioiden minimoimiseksi - ja silloinkin tulokset ovat harvoin täydellisiä. Yleisiä kiertotapoja ovat:
• Kuumenna teräs: Koko osan lämmittäminen 200–300 asteeseen ennen kuin hitsaus hidastaa jäähdytystä vähentäen martensiitin muodostumista ja jännitystä. Tämä on kriittistä, mutta ei poista riskiä.
• Käytä alhaisia ​​- vetyhitsausmenetelmiä: Valitse prosessit, kuten TIG (kaasun volframin kaarihitsaus) inerttien kaasunsuojauksella tai alhaisella - vetyelektrodilla vedyn imeytymisen vähentämiseksi.
• Post - Hitsauslämpökäsittely (PWHT): Hitsauksen jälkeen karkaisee terästä lämmittämällä se 200–300 asteeseen ja jäähdytetään hitaasti. Tämä lievittää stressiä ja pehmentää ylimääräistä martensiittia, vaikkakin se myös vähentää teräksen kokonaismäärää.
• Vältä hitsausta kokonaan: Monissa tapauksissa on parempi koneistaa osa hehkutetusta (pehmeästä) teräksestä, hitsata se ensin, kovettaa sitä myöhemmin. Tämä välttää kovetetun rakenteen vahingoittamisen.
4. Miksi on usein parempi välttää hitsausta kovettuneesta terästä
Jopa varotoimenpiteillä, hitsauslaite palauttaa materiaalin harvoin alkuperäisiin ominaisuuksiinsa:
• Halkeamia voi silti muodostua, etenkin korkeassa - stressisovelluksissa, kuten työkaluissa tai rakenteellisissa osissa.
• HAZ: lla on aina epäjohdonmukainen kovuus, heikentäen komponenttia.
• Esilämmityksen, erikoistuneiden laitteiden ja -} hitsauskäsittelyn aika ja kustannukset ylittävät edut.
Johtopäätös
Karkaistu teräs on erittäin vaikea hitsautua onnistuneesti, koska hitsaus häiritsee sen martensiittinen mikrorakenne, aiheuttaa sisäistä jännitystä, tuo vetyä ja aiheuttaa kovuuden halkeilua tai menetystä. Vaikka rajoitetut, erikoistuneet tekniikat voivat vähentää riskejä, ne tuottavat harvoin nivelen yhtä luotettavan kuin alkuperäinen teräs. Tästä syystä hitsausta karkaistu teräs ei yleensä suositella, ellei ehdottoman välttämätöntä - ja silloinkin se vaatii asiantuntijataitoa ja huolellista suunnittelua. Useimmissa tapauksissa hitsaus ennen kovettumista (kun teräs on edelleen pehmeä) on paljon turvallisempi vaihtoehto.