低碳鋼的焊接特點及工藝分析

欒豐飛　隋旭日

摘 要：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。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；工藝分析

低碳鋼由于含碳量較低，焊接性較好，在焊接生產上得到了廣泛的應用。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分析

1.1 焊接方法選擇

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。

1.2 焊接材料選擇

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。

上述措施可單獨使用，有時需要綜合使用。

三、焊接缺陷與預防措施

（1）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。

（2）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。

（3）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。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。

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（作者單位：中車青島四方機車車輛股份有限公司）