碳钢焊接工艺性分析

碳钢焊接工艺性分析

王建顺,陈永强

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266000

摘要：碳钢又称为碳素钢，是钢材中产量最多、应用最广的材料。不同种类的碳钢有不同的工艺性能，而焊接工艺的选择直接影响焊接产品的制造质量。本文主要对碳钢焊接工艺性进行分析，对实际生产制造提供一些参考。

关键词：碳钢；焊接工艺性

引言

碳素钢的焊接性随含碳量增加而恶化，因为含碳量较高的钢从焊接温度快速冷却下容易被淬硬。被淬硬的焊缝和热影响区因其塑性下降，在焊接应力容易产生裂纹。碳素钢被淬硬主要是在马氏体组织形成而引起，马氏体的数量受冷却速度影响，非常快的冷却速度可以产生100%的马氏体，从而可达到最高硬度。因此，焊接含砚较高的碳素钢时，就应当注意减缓冷却速度，使马氏体的数量减至最少。焊接的冷却速度受焊接热输入、母材板厚和环境温度的影响。厚板或在低温条件下焊接，其冷却速度加快；预热或加大焊接线能量，可以降低冷却速度，减少裂纹产生。碳素钢的碳含量增加到约0.15%以上时，对氢致裂纹尤其敏感。因此，焊接碳含量高于0.15%的碳素钢时，须注意减少氢的来源。例如大气中的水分，焊前对待焊部位及附近须清除油污、铁锈等。手弧焊时宜选用低氢焊条，在其它焊接方法中应制造低氢环境，以减少焊缝周围环境中的氢含量。焊接碳素钢时产生裂纹的力学原因是结构的拘束力和不均衡的热应力。即使是不易淬硬的低碳钢，在受拘束力条件下采用了不正确的焊接程序，也会因这些应力过大而产生裂纹。总之，对碳素钢的焊接，应针对其碳含量不同而采取相应的工艺措施。当含碳较低时，如低碳钢，应着重注意防止结构拘束应力和不均衡的热应力所引起的裂纹；当含碳量较高时，如高碳钢，除了防止因这些因为应力所引起的裂纹外，还要特别注意防止因淬硬而引起的裂纹。

1 低碳钢的焊接

（1）焊接性分析。低碳钢因含碳及其他合金元素少，塑性、韧性好，一般无淬硬倾向，不易产生焊接裂纹等缺陷，焊接性能优良。焊接低碳钢，一般不需要采取预热和焊后热处理等特殊工艺措施。手工电弧焊焊接低碳钢时可适合全位置焊接，且焊接工艺和操作技术比较简单，容易掌握。不需要选用特殊和复杂的设备，对焊接电源无特殊要求，一般交流、直流弧焊机都可焊接。

（2）焊接材料。熔化焊时用的焊接材料可以根据等强度的原则选用，也就是使焊缝的强度等于或接近于母材的强度。

（3）焊接工艺要点。如果母材和焊接材料合格，这种钢焊接时一般不需要预热、保持层间温度和后热处理，也能获得优良的焊接接头。只有在下列情况下才能采取相应的措施：在低温环境下焊接厚件时，应预热焊件，防止产生冷裂纹；厚度超过50mm的焊件，应进行焊后热处理以消除应力；电渣焊焊件焊后应正火以细化HAZ晶粒。

2 中碳钢的焊接

中碳钢主要是在铸、锻毛坯的组合件以及补焊工作中应用。

（1）焊接性。热影响区易产生低塑性的淬硬组织，含碳量越高，板厚越大，焊件刚性越大，焊条选用不当时，容易产生冷裂纹。焊缝金属易产生热裂纹。焊缝区易产生气孔。焊前经调质处理的中碳钢，焊后在热影响区会出现回火软化区，从而影响到焊接接头的使用性能。

（2）焊接材料。中碳钢主要采用手弧焊和气焊。手弧焊时最好采用低氢焊条，因为低氢焊条扩散氢含量少、具有一定的脱硫能力，熔敷金属塑韧性良好，抗冷裂、热裂的能力都高。如果允许焊缝与母材不等强，可以采用强度级别低的焊条。当焊件不允许预热时，可以采用奥氏体不锈钢焊条，因为它塑性好可以避免裂纹。

（3）焊接工艺要点。焊接坡口尽量开成U形，以减少焊件熔入量。焊前预热，预热温度一般在150-250℃。当含碳量高、板厚度大或结构刚性大时，预热温度可提高到250-400℃，局部预热的加热范围为焊缝两侧50～200mm左右。采用小电流多层焊，尤其焊接第一层焊缝时，更应采用小电流慢速焊，以减小焊件

熔入焊缝金属的比例（减小熔合比），防止热裂纹。采用碱性焊条焊前焊条要烘干，烘干温度350-400℃，烘干2h。选用合理的装焊顺序，改善应力分布状态；采用锤击焊缝的方法，以减小焊接残余应力，细化晶粒。焊件焊接后放在石棉灰中，或放在炉中缓慢冷却。对含碳母高、厚度大和刚性大的焊件，焊后作600～650℃的回火处理以消除应力。

3 高碳钢的焊接

（1）焊接性分析。高碳钢的含碳量比中碳钢还高（>0.6％），所以更容易产生脆硬的马氏体组织，脆硬倾向和冷裂敏感性更大，因此焊接结构一般不采用这种钢，它们的焊接通常只用在焊补修理工作中。

（2）焊接材料。高碳钢焊接可以采用手弧焊和气焊。高碳钢的抗拉强度大多都在675Mpa以上，要求强度高时，手弧焊一般用J707、J607焊条，要求不高时，可以用J506、J507，或者选用和以上强度级别相当的低合金钢焊条或填充金属。所有焊接材料都应该是低氢型的，以提高焊缝塑韧性和抗裂性能。

（3）焊接工艺要点。高碳钢要先进行退火才能进行焊接。采用结构钢焊条时，焊前应进行250-350℃以上的预热（如果用奥氏体不锈钢焊条可以不预热）。多层焊焊接过程中，还应保持与预热温度相同的层间温度，并在焊后缓冷。通常焊后要进行650℃高温回火消除应力。

结束语

碳钢种类较多应用广泛，上述主要按照含碳量进行了粗略划分和阐述，具体应用仍需要结合具体的技术要求进行必要的工艺评定和验证，制定规范的技术文件，并严格按照技术文件要求生产制造，才能保证焊接产品质量可靠。