摘 要：中碳鋼由于鋼中含有較高的碳，其焊接性較差，因而在焊接過(guò)程中，若采取的工藝措施不正確，常常會(huì)產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷。焊接中碳鋼時(shí)，應(yīng)充分考慮其焊接性及產(chǎn)生的焊接缺陷，制定合理的焊接工藝措施，生產(chǎn)出合格的焊接產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：中碳鋼 措施 焊接 合理 裂紋 預(yù)熱

中圖分類號(hào)：TG457.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）06（a）-0061-01

中碳鋼是含碳量為0.25%～0.60%的鐵碳合金。由于鋼中含有較高的碳，其焊接性較差，因而在焊接過(guò)程中，若采取的工藝措施不正確，常常會(huì)產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷。這就要求合理地選擇焊接材料、焊接方法，采取必要的預(yù)熱、后熱及焊后熱處理等的工藝措施來(lái)減少和防止這些缺陷的產(chǎn)生。鋼中含碳量越高，板壁越厚，母材近縫區(qū)越容易產(chǎn)生低塑性的淬硬組織。焊件剛度大，如果冷卻速度較快和焊條選用不當(dāng)，容易產(chǎn)生冷裂紋。當(dāng)母材熔化到第一層焊縫金屬中的比例為30%時(shí)，由于焊縫的含碳量較高，焊縫金屬容易產(chǎn)生裂紋。

1 中碳鋼的焊接性

裂紋是焊接結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)的一種缺陷，不僅會(huì)使產(chǎn)品報(bào)廢，而且還可能引起嚴(yán)重的事故。在焊接生產(chǎn)中出現(xiàn)的裂紋形式是多種多樣的，有的裂紋出現(xiàn)在焊縫表面，肉眼就能觀察到；有的隱藏在焊縫內(nèi)部，不通過(guò)探傷檢查，不能發(fā)現(xiàn)。有的產(chǎn)生在焊縫中，有的則產(chǎn)生在熱影響區(qū)中。根據(jù)裂紋產(chǎn)生的情況，可把焊接裂紋歸納為熱裂紋、冷裂紋。

1.1 熱裂紋

熱裂紋絕大多數(shù)產(chǎn)生在焊縫金屬中，露出焊縫外表面的裂紋斷面有明顯的氧化色彩。熱裂紋發(fā)生在晶界上，一般為沿晶裂紋。合金元素是影響熱裂紋傾向最根本的因素，其中主要的有硫、碳、硅。硫在鋼中能形成多種低熔點(diǎn)共晶體，它們的熔點(diǎn)比鋼的熔點(diǎn)要低的多。這些低熔點(diǎn)共晶體在焊縫結(jié)晶時(shí)聚集在晶界上，當(dāng)焊縫金屬大部分已凝固時(shí)，它尚未凝固，形成液態(tài)薄膜，因而顯著增大熱裂紋傾向。當(dāng)碳鋼和低合金鋼中含碳量增加時(shí)，焊縫金屬的淬硬性增加，焊縫中由于組織變化而產(chǎn)生的應(yīng)力增大，從而增大產(chǎn)生熱裂紋的傾向。當(dāng)硅含量超過(guò)0.4%時(shí)，容易形成硅酸鹽夾雜，增大熱裂紋的傾向。

1.2 冷裂紋

冷裂紋是焊接接頭冷卻到較低溫度時(shí)產(chǎn)生的焊接裂紋，它可以在焊后立即出現(xiàn)，也可以延遲幾個(gè)小時(shí)、幾周，甚至更長(zhǎng)得到時(shí)間以后產(chǎn)生。冷裂紋大多產(chǎn)生在母材或母材與焊縫交界的熔合線上，顯露在接頭金屬表面的裂紋，其斷口發(fā)亮。焊接時(shí)，鋼的淬硬傾向越大，越易產(chǎn)生冷裂紋。如果焊接的是易淬火鋼，將從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而氫在不同的組織中的溶解度是不同的，氫在馬氏體中的溶解度比奧氏體小得多，這樣在焊接接頭冷卻時(shí)，析出的氫就向周圍熱影響區(qū)擴(kuò)散，待熱影響區(qū)組織也轉(zhuǎn)變成馬氏體后，便有相當(dāng)多的氫聚集在熔合線附近，形成一個(gè)富氫帶，加之奧氏體組織轉(zhuǎn)變成馬氏體組織時(shí)，由于體積膨脹而產(chǎn)生的相變應(yīng)力等，就會(huì)使鋼產(chǎn)生冷裂紋。

1.3 氣孔

焊接時(shí)，熔池中的氣泡在凝固時(shí)未能及時(shí)逸出，而殘留下來(lái)所形成的空穴，稱為氣孔。氣孔的形狀有橢圓形、球形、鏈狀和蜂窩狀等。氣孔對(duì)焊縫金屬的性能有很大的影響，不僅減小焊縫的有效工作面積，使焊縫力學(xué)性能下降，而且破壞了焊縫的致密性，容易造成容器泄露。氣孔嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使金屬結(jié)構(gòu)在工作時(shí)破壞。

2 制定合理的焊接工藝措施

焊接中碳鋼時(shí)，應(yīng)充分考慮其焊接性及產(chǎn)生的焊接缺陷，制定合理的焊接工藝措施，制造出合格的焊接產(chǎn)品。

（1）盡可能采用堿性低氫型焊條，這類焊條的抗冷裂和抗熱烈能力較高。個(gè)別情況下，通過(guò)嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度和盡量減小母材熔深即減少焊縫中的含碳量等工藝措施，采用鈦鐵鈣型焊條也可得到滿意效果。當(dāng)焊接接頭的強(qiáng)度不要求和母材相等時(shí)，應(yīng)選用強(qiáng)度較低的堿性低氫型焊條，如J426、H427。這類焊條焊接的焊縫塑性好，產(chǎn)生熱裂紋和冷裂紋的危險(xiǎn)性更小。在特殊情況下，可采用鉻鎳不銹鋼焊條焊接或補(bǔ)焊中碳鋼，其特點(diǎn)是在焊前不預(yù)熱的情況下，也不容易產(chǎn)生近縫區(qū)的冷裂紋，用于焊接中碳鋼的鉻鎳不銹鋼焊條有A302、A307、A402、A407等，采用這類焊條焊接時(shí)電流要小，焊接層數(shù)要多，操作時(shí)母材熔深要淺，但成本高，一般不宜采用。

（2）預(yù)熱是焊補(bǔ)和焊接中碳鋼的主要工藝措施，尤其是焊件的厚度、剛度較大時(shí)，預(yù)熱有利于減小熱影響區(qū)的最高硬度，防止產(chǎn)生冷裂紋，并能改善接頭塑性。整體預(yù)熱和恰當(dāng)?shù)木植款A(yù)熱還能減小焊后殘余應(yīng)力。含碳量不同的中碳鋼的焊接和焊補(bǔ)的預(yù)熱溫度沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)定。這是因?yàn)檫x擇預(yù)熱溫度不僅由焊條的含碳量來(lái)決定，而且還受其它因素的影響，例如焊件的大小及厚度、焊條類型、焊接參數(shù)及結(jié)構(gòu)的剛性等。一般情況下，35號(hào)鋼和45號(hào)鋼預(yù)熱溫度可選用150 ℃～400 ℃。局部預(yù)熱的加熱范圍為焊口兩側(cè)150～200 mm左右。預(yù)熱不僅需要一定的物質(zhì)條件，而且勞動(dòng)條件差。國(guó)內(nèi)在生產(chǎn)實(shí)踐基礎(chǔ)上，積累了焊補(bǔ)中碳鋼大型工件的豐富經(jīng)驗(yàn)。例如水泥設(shè)備中常用的大型鑄件如托輪、輪帶、齒圈等，在鑄造以及現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)裂紋、氣孔、砂眼等的的缺陷，對(duì)以上產(chǎn)品進(jìn)行補(bǔ)焊對(duì)使用壽命尤為重要。焊補(bǔ)前應(yīng)徹底檢查裂紋，并將裂紋修成一定的坡口形式，坡口底部不要成尖角狀。為了避免在鏨削過(guò)程中裂紋受振動(dòng)而蔓延，鏨削前應(yīng)在裂紋的兩端鉆直徑為10～15 mm的小孔。裂紋的焊補(bǔ)一般采用E5015型焊條，焊后的焊縫強(qiáng)度和塑性均能滿足要求。

（3）在焊接過(guò)程中還要注意焊接順序，并根據(jù)具體情況，在焊接前還可以在焊補(bǔ)處進(jìn)行局部預(yù)熱（300 ℃～350 ℃），同時(shí)適當(dāng)敲擊焊縫處，以消除局部應(yīng)力，防止產(chǎn)生新的裂紋。

（4）焊接坡口應(yīng)盡量開(kāi)成U形，如果是焊件缺陷，鏟挖出的坡口外形應(yīng)圓滑，其目的是減少母材熔入焊縫金屬中的比例，有利有防止裂紋?？梢圆捎蔑L(fēng)鏟、氣割、碳弧氣刨等方法開(kāi)坡口。但采用熱加工時(shí)，如果有產(chǎn)生氣割裂紋的危險(xiǎn)，應(yīng)采取局部預(yù)熱和放慢切割速度等措施，坡口及附近的油污要清楚干凈。

（5）注意焊條在使用前要烘干，堿性焊條烘干的溫度為350 ℃～400 ℃，時(shí)間是1～2 h；鈦鈣形等酸性焊條烘干溫度為150 ℃，時(shí)間是1～2 h。焊接第一層焊縫時(shí)，盡量采用小電流、慢焊速，以減小母材的熔深，但必須注意將母材熔透，避免產(chǎn)生夾渣及未熔合等缺陷。焊后盡可能緩冷，有時(shí)可采用錘擊焊縫的方法減小焊接殘余應(yīng)力。

中碳鋼分為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，強(qiáng)度和硬度低較高，塑性和韌性較低，熱加工及切削性良好，但焊接性差。如果采用合適的焊接工藝方法，制定合理的焊接工藝措施，就能生產(chǎn)出具有綜合力學(xué)性能的機(jī)械零件，所以廣泛的應(yīng)用于建筑、機(jī)械、鋼結(jié)構(gòu)等工業(yè)生產(chǎn)中。