Verbrauchsmaterial-Ecke: Lösung von Schweißrissproblemen mit 4150 Chrom

F: Wir stellen derzeit ein Produkt her, das aus einem 4150-Stahlrohr mit einem Durchmesser von 30 Zoll und einer Dicke von 2 Zoll besteht, das an eine 1018-Stahlplatte mit einer Dicke von 3 Zoll geschweißt ist. Das Rohr hat einen 3/8-Zoll-Durchmesser. Fase und wir verbinden es mit einer dreilagigen Schweißnaht. Kürzlich haben wir von einem ER80-Füllmetall mit 1 Prozent Nickel auf ein ER70S-6-Füllmetall umgestellt. Wir stellen jetzt Schweißrisse fest, die neben den Schweißnahtspitzen auf der 4150-Seite und manchmal auch im Schweißgut verlaufen. Wir verwenden eine Vorwärmetemperatur von 400 Grad F. Haben Sie Vorschläge, wie wir die Rissbildung beseitigen können?

A: Dieses Problem ist beim Schweißen von Chrom-Molybdän-Stählen (CrMo) oder hochfesten, niedriglegierten Stählen keine Seltenheit. Zuerst müssen Sie die Materialeigenschaften verstehen.

Der AISI/SAE 1018-Stahl gehört zur Sorte mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (0,05 bis 0,3 Prozent Kohlenstoff) und hat einen Kohlenstoffbereich von 0,14 bis 0,2 Prozent. Es hat eine Mindeststreckgrenze (YS) von 53.700 PSI und eine Höchstzugfestigkeit (UTS) von 63.800 PSI. Da der Kohlenstoffgehalt relativ gering ist und es keine weiteren wesentlichen Legierungselemente gibt, die den Kohlenstoffäquivalent drastisch erhöhen könnten, gibt es beim Schweißen nicht viel mehr zu beachten. Aufgrund der Dicke Ihrer Anwendung empfehlen wir jedoch, die Schweißnaht etwas vorzuwärmen.

AISI/SAE 4150 gilt als CrMo-legierter Stahl der Serie 41XX. Verschiedene Qualitäten haben leicht unterschiedliche Legierungszusammensetzungen und werden durch die letzten beiden Ziffern der SAE-Bezeichnung identifiziert, die den Kohlenstoffgehalt angibt. Es gilt auch als Stahlsorte mit mittlerem Kohlenstoffgehalt (0,3 bis 0,8 Prozent Kohlenstoff) und 0,48 bis 0,53 Prozent Kohlenstoff, daher die „50“ im Namen. Die mechanischen Eigenschaften sind im Vergleich zum 1018-Stahl besser. Der 4150-Stahl hat im geglühten Zustand einen minimalen YS von 55.100 PSI und einen UTS von 106.000 PSI. Aufgrund des erhöhten Kohlenstoffgehalts bei der Zugabe von Legierungen und einem berechneten Kohlenstoffäquivalent von etwa 0,88 ist vor dem Schweißen ein Vorwärmen sowie Überlegungen nach dem Schweißen erforderlich.

Drei Dinge machen Ihre Bewerbung anspruchsvoller. Erstens führt die beträchtliche Materialdicke zu schnellen Abkühlraten. Zweitens weist ein hochfester legierter Stahl typischerweise eine Mikrostruktur auf, die anfällig für Martensitbildung und möglicherweise wasserstoffinduzierte Rissbildung ist. Drittens wird eine Rohr-zu-Platte-Schweißkonstruktion als eine hochbeanspruchte Schweißverbindungskonfiguration betrachtet.

Sie haben angegeben, dass Sie zuvor ein ER80-Produkt verwendet haben, das 1 Prozent Nickel enthielt und bei dem es nie zu Rissen kam. Abhängig von den Schweißparametern, der Wärmezufuhr und der Schweißnahtgröße kann der Nickelgehalt für die Beständigkeit gegen Rissbildung nach dem Schweißen verantwortlich sein. Der Wechsel zur ER70S-6-Elektrode dürfte keine Probleme verursacht haben, da die 1018-Platte das maßgebliche Material für Überlegungen zur Schweißzusatzmetallanpassung ist. Denken Sie daran, dass die allgemeine Regel darin besteht, das Material mit der geringeren Festigkeit auszuwählen.

Es fehlen einige Variablen, die uns bei der Analyse des Problems helfen könnten, z. B. der Zustand Ihres Grundmaterials (z. B. geglüht oder normalisiert), der Typ des Schutzgases, der Typ oder das Verfahren der Schweißelektrode, die Größe der Schweißraupe, die Technik und alle zugehörigen Schweißparameter. Welche Vorgehensweise haben Sie außerdem nach dem Schweißen befolgt?

Aufgrund des hohen Kohlenstoffäquivalents des 4150-Materials und der Dicke von 2 Zoll empfehlen wir Ihnen, vor allen Schweißarbeiten, einschließlich Heftschweißen, eine Mindestvorwärmung von 600 Grad F durchzuführen. Heftschweißen gilt immer noch als Schweißen, und aufgrund der extremen Temperatur des Schweißlichtbogens und des kühlen Grundmaterials kühlt die Heftschweißung zusammen mit der Wärmeeinflusszone (HAZ) unglaublich schnell ab, was zu kleinen Rissen im anfälligen Material führt. Sobald sich ein Riss gebildet hat, gibt es nichts, was ihn daran hindern könnte, sich auszubreiten und einen Ausfall zu verursachen.

Vor dem Einbau eine gleichmäßige und gründliche Einweichvorwärmung durchführen. Die Komponenten durch Heftschweißen festschweißen, dabei die Mindestvorwärmung beibehalten. Schweißen Sie die Verbindung vollständig, bevor sie abkühlen kann, und verwenden Sie dazu Schweißnähte von ¼ bis 5/16 Zoll. Filet. Stellen Sie sicher, dass die Schweißnähte nach Möglichkeit rund um das Rohr durchgehend sind, oder schweißen Sie gegenüberliegende Abschnitte, um die Schweißschrumpfspannungen auszugleichen.

Wenn Sie beispielsweise einen Abschnitt von der 12-Uhr- bis zur 3-Uhr-Position schweißen, sollten Sie den nächsten Abschnitt von der 6-Uhr- bis zur 9-Uhr-Position schweißen und so weiter. Halten Sie nach dem vollständigen Schweißen die minimale Vorwärmtemperatur eine Stunde pro Zoll Dicke (in Ihrem Fall zwei Stunden) aufrecht, damit potenzieller Wasserstoff aus dem Material diffundieren kann. Entfernen Sie anschließend die Vorwärmquelle und decken Sie die Schweißnaht gründlich mit geeigneten Isoliermaterialien ab, z. B. mehreren Lagen Löschdecken oder Keramikisolierung.