碳钢焊接

出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《热加工手册》第743页（5664字）

10．2．1．1 碳钢的种类、成分和性能

碳钢是以铁为基体、碳为主要合金元素的铁碳合金，其中还含有少量有益元素锰和硅，以及少量杂质元素硫和磷．

碳钢按分类方法不同有以下名称：

(1)按含碳量分：

低碳钢：ω(C)≤0．30%；

中碳钢：ω(C)=0．30%～0．60%；

高碳钢：ω(C)>0．60%．

(2)按冶炼方法分：

平炉钢；

转炉钢：又分为氧气转炉钢和碱性空气转炉钢；

电炉钢．

(3)按冶金过程中脱氧程度的不同分：

沸腾钢：在不完全脱氧情况下获得的钢，含氧量较高，硫、磷等杂质分布不均匀，焊接时产生热裂纹的倾向较大；

半镇静钢：介于沸腾钢与镇静钢之间；

镇静钢：含氧量较低，杂质分布均匀．

(4)按用途分：

结构钢：用来制造各种金属构件和机器零件；

工具钢：用来制造各种工具(量具、刃具、模具)．

(5)按质量分，即根据钢中有害杂质硫和磷的含量分：

普通碳素钢 ω(S)≤0．050%，ω(P)≤0．045%；

优质碳素钢 ω(S)≤0．035%，ω(P)≤0．035%；

高级优质碳素钢 ω(S)≤0．030%，ω(P)≤0．035%．

常用碳钢的化学成分和力学性能见表10-1～表10-4．

表10-1 普通碳素结构钢化学成分(GB700—88)

注：1．沸腾钢ω(Si)不大于0．07%，半镇静钢ω(Si)不大于0．17%，镇静钢ω(S₁)下限为0．12%．

2．Q235A和B级沸腾钢ω(Mn)上限为0．60%

3．D级钢应有足够的形成细晶粒组织的元素．

表10-2 碳素结构钢的力学性能(GB700—88)

注：1．屈服点和伸长率要求数值，皆对钢材厚度不大于16mm而言，厚度增加时，这些数值要求降低，见GB700—88．

2．Q195的屈服强度值仅供参考，不作交货条件．

3．冷弯试验中，B为试样宽度，a为钢材厚度，要求的弯心直径值系指钢材厚度为不大于60mm时，厚度增加，则弯心直径也增加，见GB700—88．

表10-3 优质碳素结构钢化学成分(GB699—88)

表10-4 优质碳素结构钢力学性能(GB699—88)

10．2．1．2 低碳钢焊接

1．低碳钢的焊接特点

低碳钢的焊接特点为：

(1)低碳钢含碳量低．锰、硅含量少，通常情况下不会因焊接而引起严重硬化组织或淬火组织．一般不需采取特殊的工艺措施即可得到优质的焊接接头．低碳钢是最容易焊接的钢种，许多焊接方法都适用于低碳钢焊接，并能获得良好的焊接接头．

(2)低碳钢的焊接应保证接头与母材强度相等．

(3)当母材含碳量偏高或母材、焊接材料成分不合格时，焊接中有可能产生热裂纹，在工艺上应调整焊缝成形系数，或采用碱性低氢型焊条，以防止热裂纹的产生．

(4)低碳钢焊接不需要预热，只有在气候严寒、构件刚性大时才需要考虑预热，例如焊接母材板厚大于30mm、焊接温度低于-10℃时，需要将母材温度预热到100～150℃．

2．焊接材料的选用

①焊条

焊接低碳钢时大多使用E43××系列的焊条，因为低碳钢结构通常使用GB700—88的Q235牌号钢材(相当于旧国际GB700—79的A3或C3钢)制造，这类钢材的抗拉强度平均值为417．5MPa，而E43××系列焊条熔敷金属的抗拉强度不小于420MPa，在力学性能上正好与之匹配．表10-5为几种低碳钢焊接选用焊条举例．

表10-5 几种低碳钢焊接选用焊条举例

注：表中括弧内表示可以代用．

②埋弧焊焊丝和焊剂

低碳钢埋弧焊一般选用实芯焊丝H08A或H08E，它们与高锰高硅低氟熔炼焊剂HJ430、HJ431、HJ433或HJ434配合，应用广泛．焊接时，焊剂中的MnO和SiO₂在高温下与铁反应，Mn与Si得以还原，过渡入焊接熔池．熔池冷却时，Mn和Si又成为脱氧剂，使焊缝脱氧，同时又可有足够数量余留下来，成为合金剂，保证焊缝力学性能．如果选用H08A或H08E焊丝而不是高锰高硅焊剂配合，则焊接时就不可能有足够数量的Mn和Si过渡入熔池．所以，如果焊剂为无锰、低锰或中锰型，则焊丝应选用H08MnA或其他合金钢焊丝．几种低碳钢埋弧焊常用焊接材料的选择举例见表10-6．

表10-6 几种低碳钢埋弧焊常用焊接材料选择举例

10．2．1．3 中碳钢焊接

1．中碳钢的焊接特点

中碳钢的焊接特点为：

(1)中碳钢碳的质量分数为0．30%～0．60%，当碳的质量分数接近0．30%而含锰量不高时，焊接性良好．随着含碳量的增加，焊接性逐渐变差．

(2)热影响区容易产生低塑性的淬硬组织，钢中含碳量越高，板厚越大，淬硬倾向也越大．

(3)焊接时，相当数量母材会熔化进入焊缝，使其含碳量增高，容易产生焊缝热裂纹．特别是硫的含量控制不严时，热裂纹更易显示出来．这种热裂纹在弧坑处更为敏感．此外，由于含碳量增高，气孔敏感性也增大．

2．焊接材料的选用

选用碱性低氢型焊条．由于这类焊条抗冷裂纹和抗热裂纹的能力较强，焊接中碳钢时应尽可能选用碱性低氢型焊条，如结507、结607．

如果选用碳钢焊条或低合金钢焊条，而焊缝与母材并不要求等强度时，可以选用强度等级稍低的低氢焊条．通常，焊条强度等级可以比母材强度等级低一档，例如，母材为490MPa级，则焊条可用结426或结427，以代替结506和结507．

根据具体条件，也可采用钛铁矿型或钛钙型焊条，但一定要有严格的工艺措施配合，如严格控制预热温度和尽量减少母材熔深(减少焊缝含碳量)，才能获得满意结果．这种焊条一般用于不重要结构件的焊接．

特殊情况下，亦可采用铬镍不锈钢焊条焊接．这时工件不需预热，而焊缝奥氏体金属塑性良好，可以减少焊接接头应力，避免热影响区冷裂纹产生．用于中碳钢焊接的铬镍不锈钢焊条牌号有奥102、奥107、奥302、奥307、奥402、奥407等．采用此种焊条时，应采用小电流、多层焊．

中碳钢焊接用焊条举例如表10-7所示．

3．中碳钢焊接工艺要点

中碳钢焊接工艺要点为：

(1)中碳钢焊接需要预热和层间温度，以降低焊缝和热影响区冷却速度，从而防止产生马氏体．预热温度取决于碳当量、母材厚度、结构刚性、焊条类型和工艺方法．焊后最好立即进行消除应力热处理，特别是大厚度工件、大刚性结构件和严厉条件下(例如动载荷或冲击载荷)工作的工件更是如此．常用的预热和消除应力高温回火温度如表10-8所示．

表10-7 中碳钢焊接用焊条举例

表10-8 中碳钢焊接预热和消除应力高温回火温度

注：局部预热的加热范围为焊口两侧150～200mm左右

(2)焊接时工件坡口最好开成U形或V形，以尽量减小母材的熔合比，减少热裂纹和气孔的产生．

(3)焊接第一层焊缝时易出现裂纹，应采用小直径焊条，用小电流慢速施焊．

(4)焊接过程中，可采用锤击焊缝的方法减小焊接残余应力．

(5)焊接时最好采用直流反接，以减少焊件的受热量，降低裂纹倾向，减少金属的飞溅和焊缝金属中的气孔．

(6)焊条使用前要烘干，坡口及其附近的油锈要清除干净．

10．2．1．4 高碳钢焊接

1．高碳钢的焊接性

高碳钢碳的质量分数大于0．6%．高碳钢除了高碳结构钢外，还包括高碳碳素钢铸件和碳素工具钢等．它们的含碳量比中碳钢的含碳量更高，更容易产生硬脆的高碳马氏体，所以淬硬倾向和裂纹敏感倾向更大，从而焊接性更差．高碳钢不用于制造焊接结构，多用于制造高硬度或耐磨部件或零件，它们的焊接也大多数为焊补修理．为了获得高硬度或耐磨性，高碳钢零件一般都经过热处理，焊接前经过退火，可以减少裂纹倾向，焊后再进行热处理，以达到高硬度和高耐磨性的要求．

2．焊接材料的选择

焊接材料通常不用高碳钢，通常根据钢的含碳量、工件设计和使用条件等，选用合适的填充金属．焊缝性能与母材性能完全相同比较困难．高碳钢的抗拉强度大多在675MPa以上．选用的焊接材料根据产品设计要求而定，要求强度高时，一般选用结707或结607．要求强度不高时，可选用结506或结507等焊条，或者分别选用与以上强度等级相当的低合金钢焊条或填充金属．所选用的焊接材料都应当是低氢的．

高碳钢焊接材料也可采用铬镍奥氏钢焊条，这时工件不需要预热．用于高碳钢焊接的铬镍不锈钢焊条牌号有奥102、奥107、奥302、奥307、奥402、奥407等．

3．高碳钢焊接工艺要点

高碳钢应先进行退火，才能进行焊接．当采用结构钢焊条焊接时，焊前工件必须预热，一般预热温度为250～350℃以上．焊接过程中还需要保持与预热温度一样的层间温度．焊后工件应立即送入炉中在650℃保温，进行消除应力热处理．