中碳鋼的焊接

摘 要：中碳鋼由于鋼中含有較高的碳，其焊接性較差，因而在焊接過程中，若采取的工藝措施不正確，常常會產生裂紋、氣孔等缺陷。焊接中碳鋼時，應充分考慮其焊接性及產生的焊接缺陷，制定合理的焊接工藝措施，生產出合格的焊接產品。

關鍵詞：中碳鋼 措施 焊接 合理 裂紋 預熱

中圖分類號：TG457.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（a）-0061-01

中碳鋼是含碳量為0.25%～0.60%的鐵碳合金。由于鋼中含有較高的碳，其焊接性較差，因而在焊接過程中，若采取的工藝措施不正確，常常會產生裂紋、氣孔等缺陷。這就要求合理地選擇焊接材料、焊接方法，采取必要的預熱、后熱及焊后熱處理等的工藝措施來減少和防止這些缺陷的產生。鋼中含碳量越高，板壁越厚，母材近縫區越容易產生低塑性的淬硬組織。焊件剛度大，如果冷卻速度較快和焊條選用不當，容易產生冷裂紋。當母材熔化到第一層焊縫金屬中的比例為30%時，由于焊縫的含碳量較高，焊縫金屬容易產生裂紋。

1 中碳鋼的焊接性

裂紋是焊接結構最危險的一種缺陷，不僅會使產品報廢，而且還可能引起嚴重的事故。在焊接生產中出現的裂紋形式是多種多樣的，有的裂紋出現在焊縫表面，肉眼就能觀察到；有的隱藏在焊縫內部，不通過探傷檢查，不能發現。有的產生在焊縫中，有的則產生在熱影響區中。根據裂紋產生的情況，可把焊接裂紋歸納為熱裂紋、冷裂紋。

1.1 熱裂紋

熱裂紋絕大多數產生在焊縫金屬中，露出焊縫外表面的裂紋斷面有明顯的氧化色彩。熱裂紋發生在晶界上，一般為沿晶裂紋。合金元素是影響熱裂紋傾向最根本的因素，其中主要的有硫、碳、硅。硫在鋼中能形成多種低熔點共晶體，它們的熔點比鋼的熔點要低的多。這些低熔點共晶體在焊縫結晶時聚集在晶界上，當焊縫金屬大部分已凝固時，它尚未凝固，形成液態薄膜，因而顯著增大熱裂紋傾向。當碳鋼和低合金鋼中含碳量增加時，焊縫金屬的淬硬性增加，焊縫中由于組織變化而產生的應力增大，從而增大產生熱裂紋的傾向。當硅含量超過0.4%時，容易形成硅酸鹽夾雜，增大熱裂紋的傾向。

1.2 冷裂紋

冷裂紋是焊接接頭冷卻到較低溫度時產生的焊接裂紋，它可以在焊后立即出現，也可以延遲幾個小時、幾周，甚至更長得到時間以后產生。冷裂紋大多產生在母材或母材與焊縫交界的熔合線上，顯露在接頭金屬表面的裂紋，其斷口發亮。焊接時，鋼的淬硬傾向越大，越易產生冷裂紋。如果焊接的是易淬火鋼，將從奧氏體轉變為馬氏體，而氫在不同的組織中的溶解度是不同的，氫在馬氏體中的溶解度比奧氏體小得多，這樣在焊接接頭冷卻時，析出的氫就向周圍熱影響區擴散，待熱影響區組織也轉變成馬氏體后，便有相當多的氫聚集在熔合線附近，形成一個富氫帶，加之奧氏體組織轉變成馬氏體組織時，由于體積膨脹而產生的相變應力等，就會使鋼產生冷裂紋。

1.3 氣孔

焊接時，熔池中的氣泡在凝固時未能及時逸出，而殘留下來所形成的空穴，稱為氣孔。氣孔的形狀有橢圓形、球形、鏈狀和蜂窩狀等。氣孔對焊縫金屬的性能有很大的影響，不僅減小焊縫的有效工作面積，使焊縫力學性能下降，而且破壞了焊縫的致密性，容易造成容器泄露。氣孔嚴重時，會使金屬結構在工作時破壞。

2 制定合理的焊接工藝措施

焊接中碳鋼時，應充分考慮其焊接性及產生的焊接缺陷，制定合理的焊接工藝措施，制造出合格的焊接產品。

（1）盡可能采用堿性低氫型焊條，這類焊條的抗冷裂和抗熱烈能力較高。個別情況下，通過嚴格控制預熱溫度和盡量減小母材熔深即減少焊縫中的含碳量等工藝措施，采用鈦鐵鈣型焊條也可得到滿意效果。當焊接接頭的強度不要求和母材相等時，應選用強度較低的堿性低氫型焊條，如J426、H427。這類焊條焊接的焊縫塑性好，產生熱裂紋和冷裂紋的危險性更小。在特殊情況下，可采用鉻鎳不銹鋼焊條焊接或補焊中碳鋼，其特點是在焊前不預熱的情況下，也不容易產生近縫區的冷裂紋，用于焊接中碳鋼的鉻鎳不銹鋼焊條有A302、A307、A402、A407等，采用這類焊條焊接時電流要小，焊接層數要多，操作時母材熔深要淺，但成本高，一般不宜采用。

（2）預熱是焊補和焊接中碳鋼的主要工藝措施，尤其是焊件的厚度、剛度較大時，預熱有利于減小熱影響區的最高硬度，防止產生冷裂紋，并能改善接頭塑性。整體預熱和恰當的局部預熱還能減小焊后殘余應力。含碳量不同的中碳鋼的焊接和焊補的預熱溫度沒有統一規定。這是因為選擇預熱溫度不僅由焊條的含碳量來決定，而且還受其它因素的影響，例如焊件的大小及厚度、焊條類型、焊接參數及結構的剛性等。一般情況下，35號鋼和45號鋼預熱溫度可選用150 ℃～400 ℃。局部預熱的加熱范圍為焊口兩側150～200 mm左右。預熱不僅需要一定的物質條件，而且勞動條件差。國內在生產實踐基礎上，積累了焊補中碳鋼大型工件的豐富經驗。例如水泥設備中常用的大型鑄件如托輪、輪帶、齒圈等，在鑄造以及現場使用過程中往往會出現裂紋、氣孔、砂眼等的的缺陷，對以上產品進行補焊對使用壽命尤為重要。焊補前應徹底檢查裂紋，并將裂紋修成一定的坡口形式，坡口底部不要成尖角狀。為了避免在鏨削過程中裂紋受振動而蔓延，鏨削前應在裂紋的兩端鉆直徑為10～15 mm的小孔。裂紋的焊補一般采用E5015型焊條，焊后的焊縫強度和塑性均能滿足要求。

（3）在焊接過程中還要注意焊接順序，并根據具體情況，在焊接前還可以在焊補處進行局部預熱（300 ℃～350 ℃），同時適當敲擊焊縫處，以消除局部應力，防止產生新的裂紋。

（4）焊接坡口應盡量開成U形，如果是焊件缺陷，鏟挖出的坡口外形應圓滑，其目的是減少母材熔入焊縫金屬中的比例，有利有防止裂紋?？梢圆捎蔑L鏟、氣割、碳弧氣刨等方法開坡口。但采用熱加工時，如果有產生氣割裂紋的危險，應采取局部預熱和放慢切割速度等措施，坡口及附近的油污要清楚干凈。

（5）注意焊條在使用前要烘干，堿性焊條烘干的溫度為350 ℃～400 ℃，時間是1～2 h；鈦鈣形等酸性焊條烘干溫度為150 ℃，時間是1～2 h。焊接第一層焊縫時，盡量采用小電流、慢焊速，以減小母材的熔深，但必須注意將母材熔透，避免產生夾渣及未熔合等缺陷。焊后盡可能緩冷，有時可采用錘擊焊縫的方法減小焊接殘余應力。

中碳鋼分為普通碳素結構鋼和優質碳素結構鋼，強度和硬度低較高，塑性和韌性較低，熱加工及切削性良好，但焊接性差。如果采用合適的焊接工藝方法，制定合理的焊接工藝措施，就能生產出具有綜合力學性能的機械零件，所以廣泛的應用于建筑、機械、鋼結構等工業生產中。