高碳鋼的焊接性與焊接缺陷分析

盧晨 孫貴舜

摘 要：高碳鋼在經適當熱處理或冷拔硬化后，具有高的強度和硬度、高的彈性極限和疲勞極限，切削性能尚可，但焊接性能和冷塑性變形能力差。本文從焊接方法、焊接材料等方面分析了高碳鋼的焊接性，并針對高碳鋼焊接時容易出現的焊接缺陷提出了相應的預防措施。

關鍵詞：高碳鋼；焊接性；焊接缺陷；裂紋

引言：高碳鋼是指w（C）高于0.6%的碳鋼，它比中碳鋼具有更大的淬硬傾向，并形成高碳馬氏體，對冷裂紋的形成更為敏感。同時，焊接熱影響區內形成的馬氏體組織，性能硬而脆，導致接頭的塑性和韌性大大下降，因此高碳鋼的焊接性相當差，必須采取特殊的焊接工藝，才能保證接頭的性能。因此，在焊接結構中，一般很少采用。高碳鋼主要用于要求高硬度和耐磨性的機器零部件，如轉軸、大型齒輪和聯軸器等。為節省鋼材，簡化加工工藝，這些機器零部件也往往采用焊接結構組合而成。在重型機器制造中，也會碰到高碳鋼部件的焊接問題。在制定高碳鋼焊件的焊接工藝時，應全面分析可能產生的各種焊接缺陷，并采取相應的焊接工藝措施。

一、關于高碳鋼的特點

高碳鋼的硬度、強度主要取決于鋼中固溶的碳量，并隨固溶碳量的增加而提高。固溶碳量超過0.6%時， 淬火后硬度不再增加，只是過剩的碳化物數量增多，鋼的耐磨性略有增加，而塑性、韌性和彈性有所降低。為此，常根據使用條件和對鋼的強度、韌性匹配來選用不同的鋼號。例如，制造受力不大的彈簧或簧式零件，可選擇較低碳量的65鋼。一般高碳鋼可用電爐、平爐、氧氣轉爐生產。要求質量較高或特殊質量時可采用電爐冶煉加真空自耗或電 渣重熔。冶熔時，嚴格控制化學成分，特別是硫和磷的含量。為減少偏析，提高等向性能，鋼錠可進行高溫擴 散退火（對工具鋼尤為重要）。熱加工時，過共析鋼的停鍛（軋）溫度要求低（約800℃），鍛軋成材后應避 免粗大網狀碳化物的析出，在700℃以下應注意緩冷，以防熱應力造成裂紋。熱處理或熱加工過程中要防止表面脫碳（對彈簧鋼尤為重要）。熱加工時要有足夠的壓縮比，以保證鋼的質量和使用性能。優點：熱處理后可以得到高 的硬度（HRC60一65）和較好的耐磨性。退火狀態下硬度適中，具有較好的可切削性。原材料易得，生產成本低。其缺點是：熱硬性差，當刀具工作溫度大于200℃時，其硬度和耐磨性急劇下降。淬透性低。水淬時完全淬透的直徑一般僅為15一18mm；油淬時完全淬透的最大直徑或厚度僅為6mm 左右，并易變形開裂。

二、高碳鋼的焊接性

焊接方法：高碳鋼主要用于高硬度和高耐磨性的結構，所以主要的焊接方法是焊條電弧焊、釬焊和埋弧焊。

焊接材料：高碳鋼焊接一般不要求接頭與母材等強度。焊條電弧焊時一般選用去硫能力強、熔敷金屬擴散氫含量低、韌性較好的低氫型焊條。在要求焊縫金屬與母材等強度時，應選用相應級別的低氫型焊條；在不要求焊縫金屬與母材等強度時，應選用強度級別低于母材的低氫型焊條，切記不能選擇強度級別比母材高的焊條。如果焊接時母材不允許預熱，為了防止熱影響區冷裂紋，可選用奧氏體不銹鋼焊條，以獲得塑性好、抗裂紋能力強的奧氏體組織。

坡口制備：為了限制焊縫金屬中碳的質量分數，應減少熔合比，所以焊接時一般采用U型或V型坡口，并注意將坡口及坡口兩側20mm范圍內的油污、鐵銹等處理干凈。

預熱：采用結構鋼焊條焊接時，焊前必須預熱，預熱溫度控制在250℃～350℃。

層間處理：多層多道焊時，第一道焊采用小直徑焊條，小電流焊接。一般將工件置于半立焊或使用焊條橫向擺動，以使整個母材熱影響區都在短時間內受熱，以獲得預熱和保溫效果。

焊后熱處理：焊后立即將工件放入加熱爐中，在650℃進行保溫進行消除應力退火。

焊接工藝：（1）由于高碳鋼零件為了獲得高硬度和耐磨性，材料本身都需經過熱處理，所以焊前應先進行退火，才能進行焊接。（2）焊件焊前應進行預熱，預熱溫度一般為250～ 350℃ 以上，焊接過程中必需保持層間溫度不低于預熱溫度。（3）焊后焊件必需保溫緩冷，并立即送入爐中在 650℃ 進行消除應力熱處理。

三、高碳鋼的焊接缺陷及防止措施

由于高碳鋼淬硬傾向很大，在焊接時容易出現熱裂紋和冷裂紋。

（一）熱裂紋的防止措施

1）控制焊縫的化學成分，嚴格控制硫、磷的含量，適當提高含錳量，以改善焊縫組織，減少偏析。

2）控制焊縫斷面形狀，寬深比要稍大些，以避免焊縫中心的偏析。

3）對剛性大的焊件，應選擇合適的焊接參數、合適的焊接次序和方向。

4）必要時采取預熱和緩冷措施，來防止熱裂紋的產生。

5）提高焊條或焊劑的堿度，以降低焊縫中的雜質含量，改善偏析程度。

（二）冷裂紋的防止措施

1）焊接前預熱和焊后緩冷，不僅可以降低熱影響區的硬度和脆性，而且還可以加速焊縫中的氫向外擴散。

2）選擇合適的焊接措施。

3）采用合適的裝配和焊接順序，減小焊接接頭的拘束應力，改善焊件的應力狀態。

4）選擇合適的焊接材料，焊前要烘干焊條、焊劑，并做到隨取隨用。

5）焊前應仔細清除坡口周圍基本金屬表面的水、銹等污物，以降低焊縫中擴散氫的含量。

6）焊前應立即進行去氫處理，使氫從焊接接頭中充分逸出。

7）焊后應立即進行消除應力的退火處理，促使焊縫中的氫向外擴散。

結束語

高碳鋼由于含碳量較高，淬硬性較大而焊接性較差，焊接時容易產生高碳馬氏體組織，容易產生焊接裂紋，因此在高碳鋼焊接時，要合理選擇焊接工藝，并及時采取相應措施，減少焊接裂紋的出現，提高焊接接頭性能。

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（作者單位：中車青島四方機車車輛股份有限公司）