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(jīng)適當(dāng)熱處理或冷拔硬化后，具有高的強(qiáng)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(duì)高碳鋼焊接時(shí)容易出現(xiàn)的焊接缺陷提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。

關(guān)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(duì)冷裂紋的形成更為敏感。同時(shí)，焊接熱影響區(qū)內(nèi)形成的馬氏體組織，性能硬而脆，導(dǎo)致接頭的塑性和韌性大大下降，因此高碳鋼的焊接性相當(dāng)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(jié)構(gòu)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(jī)器零部件，如轉(zhuǎn)軸、大型齒輪和聯(lián)軸器等。為節(jié)省鋼材，簡(jiǎn)化加工工藝，這些機(jī)器零部件也往往采用焊接結(jié)構(gòu)組合而成。在重型機(jī)器制造中，也會(huì)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(shí)，應(yīng)全面分析可能產(chǎn)生的各種焊接缺陷，并采取相應(yīng)的焊接工藝措施。

一、關(guān)于高碳鋼的特點(diǎn)

高碳鋼的硬度、強(qiáng)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(shí)， 淬火后硬度不再增加，只是過剩的碳化物數(shù)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(jù)使用條件和對(duì)鋼的強(qiáng)度、韌性匹配來選用不同的鋼號(hào)。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(zhuǎn)爐生產(chǎn)。要求質(zhì)量較高或特殊質(zhì)量時(shí)可采用電爐冶煉加真空自耗或電 渣重熔。冶熔時(shí)，嚴(yán)格控制化學(xué)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(jìn)行高溫?cái)U(kuò) 散退火（對(duì)工具鋼尤為重要）。熱加工時(shí)，過共析鋼的停鍛（軋）溫度要求低（約800℃），鍛軋成材后應(yīng)避 免粗大網(wǎng)狀碳化物的析出，在700℃以下應(yīng)注意緩冷，以防熱應(yīng)力造成裂紋。熱處理或熱加工過程中要防止表面脫碳（對(duì)彈簧鋼尤為重要）。熱加工時(shí)要有足夠的壓縮比，以保證鋼的質(zhì)量和使用性能。優(yōu)點(diǎn)：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(tài)下硬度適中，具有較好的可切削性。原材料易得，生產(chǎn)成本低。其缺點(diǎn)是：熱硬性差，當(dāng)?shù)毒吖ぷ鳒囟却笥?00℃時(shí)，其硬度和耐磨性急劇下降。淬透性低。水淬時(shí)完全淬透的直徑一般僅為15一18mm；油淬時(shí)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(jié)構(gòu)，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(qiáng)度。焊條電弧焊時(shí)一般選用去硫能力強(qiáng)、熔敷金屬擴(kuò)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(qiáng)度時(shí)，應(yīng)選用相應(yīng)級(jí)別的低氫型焊條；在不要求焊縫金屬與母材等強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)選用強(qiáng)度級(jí)別低于母材的低氫型焊條，切記不能選擇強(qiáng)度級(jí)別比母材高的焊條。如果焊接時(shí)母材不允許預(yù)熱，為了防止熱影響區(qū)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(qiáng)的奧氏體組織。

坡口制備：為了限制焊縫金屬中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，應(yīng)減少熔合比，所以焊接時(shí)一般采用U型或V型坡口，并注意將坡口及坡口兩側(cè)20mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹等處理干凈。

預(yù)熱：采用結(jié)構(gòu)鋼焊條焊接時(shí)，焊前必須預(yù)熱，預(yù)熱溫度控制在250℃～350℃。

層間處理：多層多道焊時(shí)，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(dòng)，以使整個(gè)母材熱影響區(qū)都在短時(shí)間內(nèi)受熱，以獲得預(yù)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(jìn)行保溫進(jìn)行消除應(yīng)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(jīng)過熱處理，所以焊前應(yīng)先進(jìn)行退火，才能進(jìn)行焊接。（2）焊件焊前應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)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(yù)熱溫度。（3）焊后焊件必需保溫緩冷，并立即送入爐中在 650℃ 進(jìn)行消除應(yīng)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(shí)容易出現(xiàn)熱裂紋和冷裂紋。

（一）熱裂紋的防止措施

1）控制焊縫的化學(xué)成分，嚴(yán)格控制硫、磷的含量，適當(dāng)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(duì)剛性大的焊件，應(yīng)選擇合適的焊接參數(shù)、合適的焊接次序和方向。

4）必要時(shí)采取預(yù)熱和緩冷措施，來防止熱裂紋的產(chǎn)生。

5）提高焊條或焊劑的堿度，以降低焊縫中的雜質(zhì)含量，改善偏析程度。

（二）冷裂紋的防止措施

1）焊接前預(yù)熱和焊后緩冷，不僅可以降低熱影響區(qū)的硬度和脆性，而且還可以加速焊縫中的氫向外擴(kuò)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(yīng)力，改善焊件的應(yīng)力狀態(tài)。

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(yīng)仔細(xì)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(kuò)散氫的含量。

6）焊前應(yīng)立即進(jìn)行去氫處理，使氫從焊接接頭中充分逸出。

7）焊后應(yīng)立即進(jìn)行消除應(yīng)力的退火處理，促使焊縫中的氫向外擴(kuò)散。

結(jié)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(shí)容易產(chǎn)生高碳馬氏體組織，容易產(chǎn)生焊接裂紋，因此在高碳鋼焊接時(shí)，要合理選擇焊接工藝，并及時(shí)采取相應(yīng)措施，減少焊接裂紋的出現(xiàn)，提高焊接接頭性能。

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（作者單位：中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司）