碳钢焊接性能分析

1.影响碳钢焊接性的因素

碳钢焊接性等级[优、良、差、极差（A、B、C、D）]的差别主要取决于冷裂纹、热裂纹的敏感性及焊接接头塑性降低的程度。影响这两个因素主要有以下三个方面：一是化学成分；其二是焊接工艺因素；其三是焊接结构中焊接接头的拘束度。工艺因素是指熔焊方法的选择、热输入大小、焊接速度、焊前坡口准备、母材稀释率的设计及焊接材料（焊条、焊丝或焊剂）的匹配和烘干程度，以及焊前预热和焊后缓冷等；焊接接头的拘束度是指结构的刚度及环境温度可能对接头产生的拉应力。上述三个影响因素之间互相制约、互相影响是极为复杂的。但是，母材的化学成分对焊接性的影响是最基本的。其他工艺因素和结构因素都是通过母材的化学成分来影响碳钢的焊接性。

碳钢的化学成分是影响碳钢焊接性的基本因素，其中化学成分中影响最大的是碳含量，其次是杂质硫、磷含量。元素Si、Mn以及作为杂质的Cr、Ni、Cu、As等超过许用范围时，对焊接性也有一定影响。通常把碳钢的主要元素如C、Si、Mn等含量对焊接性的影响用碳当量法表示。

碳当量法就是把钢中各种元素都分别按照相当于若干含碳量的办法综合起来，作为判断钢材焊接性的标志。如钢中每增加w（Mn）为0.6%，则相当于增加w（C）为0.1%对钢材焊接性的影响效果，这样，就可以把Mn的含量以1/6计入碳当量。

由国际焊接学会推荐的碳当量法计算公式如下：

式中元素符号表示该元素在钢中的质量分数。对于碳钢C_eq可简化为：

C_eq=w（C）+w（Mn）/6+w（Si）/24

由于碳钢的Si含量较少，w（Si）最大不超过0.5%，按其1/24折算，数值更小，所以公式中有时可以忽略Si的影响。

按照碳当量可以把钢材的焊接性分成良好、一般和低劣。

1）C_eq＜0.4%，焊接性良好。一般不必采取预热等措施，就可以获得优良的焊缝。低碳钢和低合金钢属于这一类。

2）C_eq在0.4%～0.6%之间，焊接性从一般到较差。这类钢材在焊接过程中淬硬倾向逐渐明显，通常需要采取焊前预热（150～200℃），焊后缓冷等措施。中碳钢和某些合金钢属于这一类。

3）C_eq＞0.6%，焊接性差到低劣。这类钢材产生裂纹倾向严重，不论周围气温高低，焊件刚度和厚度如何，必须预热到200～450℃。焊后应采取热处理等措施，如弹簧钢等。

2.低碳钢的焊接性

按含碳量不同分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。

低碳钢的含碳量[w（C）在0.30%以下，w（Mn）在0.25%～0.80%之间，w（Si）＜0.35%]。按上式计算，其C_eq在0.40%以下，焊接性显然是非常优良的。一般情况下不必采取预热、控制层间温度和焊后保温措施。但对下列特殊情况，仍需引起足够注意：(www.xing528.com)

1）在结构刚度过大的情况下，为了防止拉裂，焊前有必要适当预热至100～150℃。有时，焊后缓冷或保温，甚至热处理也是必要的。例如GB150—2011《钢制压力容器》标准就规定对名义厚度δ_n＞32mm的碳钢A、B类焊缝（如焊前已预热100℃以上，则δ_n＞38mm）必须进行焊后热处理。

2）当焊件温度低于0℃时，一般应在始焊处100mm范围内预热到手感温暖程度（约15～30℃之间）。尤其对刚度较大的焊接结构，更应避免过快的焊接冷却速度。冷却速度取决于以下几个因素：钢材的厚度和几何形式，焊接时钢材的实际起始温度以及焊接热输入的大小。

3）杂质S、P含量严重超标时（沸腾钢中较为多见），易于在晶界形成低熔共晶的聚集，导致熔合线附近产生液化裂纹，甚至焊缝区的热裂纹。

4）焊缝扩散氢含量过大时，在厚板和C_ep＞0.15%情况下有产生氢致裂纹的可能性，在厚板T形接头焊接时有可能出现层状撕裂。焊缝含氮量超标时[φ（N₂）＞0.008%]则会引起接头塑性和韧性的急剧降低。氢的来源有两个途径，其一是保护不好从空气中进入，其二是焊接材料（焊条、焊剂等）中的水分及焊件坡口、焊丝上的油污预热分解出氢。氢溶入液态熔池冷凝时向热影响扩散聚集，产生所谓氢脆。

5）一些热输入较大的焊接方法，如埋弧焊、粗丝熔化极气体保护焊和电渣焊，这些方法焊接时往往因热影响区粗晶区的晶粒粗大而导致接头塑性和韧性的下降。尤其是电渣焊，因为冷却速度特别缓慢，这种趋向就更为严重，因此在大多数情况下，焊后进行正火处理以细化晶粒就显得非常必要。

6）在焊接过热条件下，有可能在熔合区出现魏氏组织。

3.中碳钢的焊接性

中碳钢的w（C）在0.30%～0.60%之间，w（Mn）在0.50%～1.2%之间，w（Si）在0.17%～0.37%之间。其中，影响焊接性变差的主要因素是过高的碳含量。锰的增加对焊接性有一定影响，而硅含量少，对焊接性的影响也不大。

中碳钢的C_eq一般在0.40%～0.60%之间，其中C、Mn含量偏低的30Mn钢、30钢其C_eq在0.40%～0.45%之间，焊接性接近低碳钢。此类钢在结构拘束度和冷却速度不太大时，既不必焊前预热，也无需进行焊后保温或热处理。除此之外，则必须要预热、控制层间温度和后热或焊后热处理。但尤其对C_eq在0.60%～0.80%之间的50、55、60、45Mn、50Mn、60Mn钢具有严重淬硬倾向，必须采取较高预热温度和采取焊接全过程的严格控温措施。涉及中碳钢焊接性的其他注意事项尚有：

1）随着碳含量的增加，钢的淬透性也急剧增加，意味着更易于产生马氏体组织。为了避免在热影响区产生马氏体而导致形成冷裂纹，必须严格控制焊接接头的冷却速度。除了一定的预热温度外，还可以采取随从加热和焊后缓冷等措施。

2）碳含量的增加使产生热裂纹的概率增加。而且焊缝产生CO气孔的倾向也相应增加。

3）氢致裂纹的敏感性，随着碳含量的增加而增加。

4.高碳钢的焊接性

高碳钢的焊接性之差已是众所周知，一般不用于焊接结构中。尽管按照铁-碳合金相图中钢的w（C）可以高达2%，但除了一些高碳工具钢w（C）可超过1%以外，其余高碳钢量w（C）几乎都在0.85%以下。例如，用于机械零件、弹簧、模具等的65、70、75、80、85、65Mn、70Mn七种优质碳素结构钢，u71、u71Cu、u74三种碳素铁道钢轨，以及ZG340—640铸造碳钢，其C_eq都在0.80%～1.0%之间，焊接性可谓极差。若不采取特殊控温措施，几乎无法用常规焊接方法施焊。高碳钢焊接时的最大难度是如何避免由淬硬引起的焊接冷裂纹，这些正好是钢的淬透性随着碳含量的增加而急剧增加的必然结果。高碳钢极少作为焊接结构材料，只有少数高碳钢构件的修复偶尔遇到。因此，这里不进行讨论。