低碳鋼的焊接性與焊接缺陷分析

劉瑞國 孫振爽

摘 要：低碳鋼焊接性好，幾乎可以選擇所有的焊接方法，并能保證焊接接頭的良好質量，但也存在一些缺陷。本文分析了低碳鋼的焊接性和常見焊接缺陷，并針對各種焊接缺陷提出了預防措施。

關鍵詞：低碳鋼；焊接性；焊接缺陷

引言

低碳鋼的碳含量較低，合金元素錳和硅的含量亦不高。總的來說，其焊接性良好，不會因焊接熱周期的快速冷卻，引起淬硬而使組織脆化。因此，在焊接板厚小于70mm的焊件時，焊前不需預熱，不必嚴格保持層間溫度。除了鍋爐、壓力容器等重要的焊接結構外，焊后不必作消除應力處理，整個焊接過程不必采取特殊的工藝措施，焊接性能優良。當采用高熱輸入焊接法焊接低碳鋼時，也會出現各種問題。

一、關于低碳鋼的焊接性

一是焊接方法多樣。低碳鋼焊接性好，幾乎可以選擇所有的焊接方法，并能保證焊接接頭的良好質量，例如氧乙炔、焊條電弧焊、埋弧焊、氬弧焊、二氧化碳氣體保護焊、電渣焊、等離子弧焊、電阻焊、摩擦焊和釬焊等。近年來新開發的一些高效、高質量的焊接方法和焊接工藝也在低碳鋼焊接中得到了廣泛應用，例如高效率鐵粉焊條和重力焊條電弧焊、氬弧焊封底-快速焊劑埋弧焊、窄間隙埋弧焊、藥芯焊絲氣體保護焊等。

二是焊接材料選用范圍多。低碳鋼焊接時選擇材料應遵循等強度匹配的原則，也就是根據母材強度等級及工作條件來選擇焊接材料。低碳鋼結構通常使用抗拉強度平均值為420MPa的鋼材，而E43xx系列焊條熔敷金屬的抗拉強度不低于420MPa，在力學性能上正好與之相互匹配。這一系列焊條有多種型號，可根據具體情況選用。

二、低碳鋼施焊工藝要點

低碳鋼焊接時一般不需要特殊的工藝措施，但在工件厚度較大或環境溫度較低（T≤0℃）時，會因冷卻速度加快而導致接頭裂紋傾向增加，例如在焊接直徑大于3000mm且壁厚不小于50mm的結構，焊接壁厚不小于90mm的第一道焊道，受壓容器壁厚不小于20mm時的焊縫等均有可能產生裂紋，因此焊接時應采取如下工藝措施：

1）焊前預熱，焊接時保持道間溫度。預熱溫度根據實踐經驗和實驗結果來確定，不同產品的預熱溫度有所不同。

2）采用低氫或超低氫型焊接材料。

3）連續施焊整條焊縫，避免中斷。

4）在坡口內引弧，避免擦傷母材，注意息弧時填滿弧坑。

5）不在低溫下進行成形、矯正和裝配。

6）盡可能改善嚴寒的勞動條件。

三、焊接過程中存在的困難

由于低碳鋼含碳量低，錳、硅含量也少，所以，通常情況下不會因焊接而產生嚴重硬化組織或淬火組織。低碳鋼焊后的接頭塑性和沖擊韌度良好，焊接時，一般不需要預熱、控制層間溫度和后熱，焊后也不必采用熱處理改善組織，整個焊接過程不必采取特殊的工藝措施，焊接性優良。在少數情況下，焊接時也會出現困難：

1、采用舊冶煉方法生產的轉爐鋼含氮量高，雜質含量多，從而冷脆性大，時效敏感性增加，焊接接頭質量降低，焊接性變差。

2、沸騰鋼脫氧不完全，含氧量較高，P等雜質分布不均勻，局部地區含量會超標，時效敏感性及冷脆性敏感性大，熱裂紋傾向也增大。

3、采用質量不符合要求的焊條，使焊縫金屬中的碳、硫含量過高，會導致產生裂紋。如某廠采用酸性焊條焊接Q235-A鋼時，因焊條藥皮中錳鐵的含碳量過高，會引起焊縫產生熱裂紋。

4、某些焊接方法會降低低碳鋼焊接接頭的質量。如電渣焊，由于線能量大，會使焊接熱影響區的粗晶區晶粒長得十分粗大，引起沖擊韌度的嚴重下降，焊后必須進行細化晶粒的正火處理，以提高沖擊韌度。

四、焊接缺陷與預防措施

一是焊縫金屬的熱裂紋問題。在直邊對接接頭的單面或雙面埋弧焊中，當母材的w（C）超過0.20%，w（S）大于0.03%，且板厚大于16mm時，往往會在焊縫的中心線形成熱裂紋。當母材的偏析現象嚴重時，也可能在枝晶間形成人字形裂紋。這些裂紋形成的原因是，在直邊對接接頭焊接時，母材在焊縫中所占的比率較大（約70%），使焊縫金屬中的碳、硫、磷含量超過了產生熱裂紋的臨界值，如焊縫成形系數小于1.3就會導致焊縫金屬形成熱裂紋。為防止這種熱裂紋的形成，一是可選用碳含量較低的焊絲；二是調整焊接參數，以改善焊縫的成形。如采取這兩種措施均未湊效，則必須修改焊接工藝，在接縫邊緣開一定深度的V形或U形坡口，減少母材在焊縫中的混合比，從而降低焊縫中的碳、硫含量。

二是液化裂紋問題。液化裂紋多半出現于以高熱輸入量焊接的直邊對接焊接接頭中，裂紋部位總是在焊縫的熔合區。這種液化裂紋的尺寸很小，有的甚至只有幾個晶粒的長度，不易被發現，但經常導致焊接產品試板彎曲，試樣冷彎不合格。在分析液化裂紋的成因時發現，雖然所焊母材的碳、硫等含量均在鋼材標準規定的范圍之內，但因冶煉質量低劣，存在明顯的偏析帶，使硫、磷等有害雜質含量局部偏高；當以高熱輸入焊接時，焊縫熔合區在高溫停留的時間較長，如焊接應變速率高于晶體變形能力的增長速度，就會產生液化裂紋；但弧焊熱周期高溫段的時間較短，限制了液化裂紋的擴展，如不仔細檢查，則很難發現這種裂紋。為消除這種液化裂紋，首先可適當降低焊接熱輸入，加快焊接速度，以縮短焊縫在高溫停留的時間；但熱輸入量的降低可能會引起未焊透。因此，當熱輸入降低至容許的最低值而仍未消除液化裂紋時，則必須采取第二種辦法，即將直邊對接改成V形坡口對接，并將單層焊改為多層焊。這樣，雖然降低了焊接效率，但避免了液化裂紋，保證了焊縫的質量。

三是層狀撕裂問題。在焊接厚度大于60mm的碳鋼厚板接頭時，如鋼材的冶煉質量較差，存在較多的非金屬夾雜物，則在焊接應力較高的接頭中，在焊接熱影響區或靠近熱影響區部位，有時會形成層狀撕裂，并向平行于鋼板軋制方向擴展。層狀撕裂在角接和對接接頭中均可能產生。這種裂紋通常在接頭冷卻至200℃溫度以下，受較高的焊接應力的作用而產生。因此，層狀撕裂是焊接冷裂紋的一種特殊形式。層狀撕裂主要是由于鋼板夾層中，存在非金屬夾雜物，在鋼板厚度方向焊接拉應力的作用下，使其與基體剝離，形成層狀撕裂斑點。當這些斑點長大到一定尺寸時，則以脆斷的形式擴展，再合并成宏觀裂紋。避免層狀撕裂最基本的方法，是選擇保證厚度方向性能的鋼材，如建筑結構用鋼中的Q235GJ-Z15、Q235GJ-Z25和Q235GJ-Z35；其次是從焊接工藝上采取相應措施，例如，對焊件進行適當的預熱；降低焊接熱輸入量和減小焊縫尺寸；降低焊接收縮應力等。對于鋼板分層嚴重的焊件，一種有效的解決辦法是在坡口表面做一定厚度的預堆焊。

結束語

綜上所述，低碳鋼是目前工業用鋼中焊接性最好的鋼種，幾乎所有的焊接方法都可以用來焊接低碳鋼。當采用高熱輸入焊接法焊接低碳鋼時，要采取相應措施，保證焊縫質量。

參考文獻

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（作者單位：中車青島四方機車車輛股份有限公司）