高碳鋼的焊接性與焊接缺陷分析

程新宇　王建順　李健

【摘 要】高碳鋼主要用于要求高硬度和耐磨性的機械零件，如主軸、大齒輪和聯軸器。為了節約鋼材和簡化加工工藝，這些機械零件經常采用焊接結構相結合。高碳鋼構件的焊接問題在重型機械制造中也存在。在制定高碳鋼焊接工藝時，應綜合分析各種焊接缺陷，并采取相應的焊接工藝措施。

【關鍵詞】高碳鋼；焊接性；焊接缺陷

中圖分類號：TE963 文獻標識碼：A

引言

本文主要對高碳鋼的焊接性與焊接缺陷進行了簡要的分析，希望可以為相關工作人員提供一定的參考。

1高碳鋼的焊接性分析

1.1焊接材料

材料的焊接性主要是指材料能被焊接的能力以及焊接難度。一般來說，材料如果可以通過常規的焊接，就能保持材料結合緊密，結構質量良好，焊接不出現裂紋的話，就說明該種材料的焊接性良好。如果材料只能通過特殊的焊接方式才能獲得良好的焊接接頭，說明該材料具有一定的焊接性。如果材料無論采取何種的焊接工藝，都不能有效的焊接，說明這種材料的焊接性很差，不適合用于需要焊接的設備當中。高碳鋼材料在焊接過程中，內部的碳元素會成為焊接的雜質，降低焊接的效果，因此含碳量越低，焊接性能就越好，反之亦然。這里主要是對中碳鋼的焊接方式進行研究，由于中碳鋼的焊接性較差，在焊接的過程中經常會出現裂紋還有氣孔，而且焊接出的接頭呈現脆性，因此高碳鋼材料的焊接一般會采用焊條手工電焊弧焊接。對于高碳鋼結構的大型構件焊接，可以選用手工電渣焊，這種焊接方式焊接面積大，焊接強度高。

1.2坡口制備

為了限制焊縫金屬中碳的質量分數，應減少熔合比，所以焊接時一般采用U型或V型坡口，并注意將坡口及坡口兩側20mm范圍內的油污、鐵銹等處理干凈。

1.3預熱

預熱目的主要是減少焊件和焊縫的溫度梯度，降低焊接接頭的冷卻速度，減少溫差所造成的應力和淬硬組織，改善焊接頭的性能、降低焊接區域硬度、減少殘余應力以及排除焊縫區內氫等有害氣體。預熱是防止冷裂紋產生的有效措施之一。采用結構鋼焊條焊接時，焊前必須預熱，預熱溫度控制在250℃～350℃。1.5層間處理多層多道焊時，第一道焊采用小直徑焊條，小電流焊接。一般將工件置于半立焊或使用焊條橫向擺動，以使整個母材熱影響區都在短時間內受熱，以獲得預熱和保溫效果。

1.6焊后熱處理

焊后立即將工件放入加熱爐中，在650℃進行保溫進行消除應力退火。焊后執行穩定化退火處理（接頭加熱到850℃，保溫2h，空冷）消除應力和表面酸洗、鈍化處理。對奧氏體不銹鋼軋制爐管和管件，如原材料要求做穩定化處理，則其焊接接頭應進行穩定化處理，其熱處理工藝同原材料。

2高碳鋼的焊接缺陷分析

2.1裂紋

由于部件材質在進行理化檢驗時候化學分析結果不穩定，一些金屬元素的數量會變化，容易出現其他含量的金屬雜質，也是由于這些雜質致使其間也就容易出現焊接裂紋。除此之外，使用碳弧氣刨倒坡口，極容易會導致焊區的局部出現碳化等現象，這樣焊縫的局部就會形成珠光體，而且脆性較大，在整個結晶的過程中，極有可能會產生裂紋。焊接時選用低氫型焊條及堿性焊劑，必須控制低含氫量，這對防止冷裂紋至關重要，為此，焊前焊條應嚴格按規范烘干、保存、發放、回收。若設計允許應采用比母材強度低一級的焊條進行打底、焊接。采用預熱（保持層間溫度）、后熱等措施，防止出現冷裂紋。嚴格控制焊縫金屬中的S、P含量，盡可能降低焊接線能量，選用合適的坡口尺寸，以形成形狀系數大的焊縫等措施，防止產生熱裂紋。

2.2變形

部件在焊接的過程中，使焊縫出現焊接變形的情況，但由于部件的剛度大，產生的內應力較大而導致焊縫裂紋。有些焊縫裂紋嚴重的會導致壓力容器爆炸，部件的角變形與錯邊導致的，這一缺陷會導致容器的焊接處出現結構不連續等現象，導致了焊接的邊緣出現一系列的裂紋。該類缺陷的特點是由于應力都過于集中在焊縫接觸處，會加大風險，同時增加出現安全事故的可能性。

3高碳鋼的焊接缺陷預防措施

3.1防止裂紋措施

（1）要求S≤0.02%，適當提高碳含量，使之形成雙相組織。（2）在明弧手工焊時，可在焊條藥皮中加入適當金屬或鐵合金粉末，通過焊條藥皮來實現焊縫的摻合金。（3）采用鎳基焊條可減少熱裂紋。（4）酸性焊條易形成裂紋，原因是會使焊縫柱狀晶突出，非金屬夾雜物沿柱狀晶粒邊界分布，使焊縫被其污染，造成熱裂紋，所以要用堿性低氫型焊條，增加焊縫的抗裂性能。（5）因奧氏體鋼導熱性差，奧氏體鋼的熔化深度大，所以要用短弧焊，小電流（85～95A為宜），快速焊焊接，采用多層多道，氬弧焊，把焊口處焊接應力控制在最小范圍。（6）為防止弧坑裂紋，斷弧時要進行弧坑處理。（7）制氫轉化爐上下尾管由冷彎形成，不允許有裂紋。尾管表面不允許有大于0.3mm深的劃痕。

3.2重視焊事項和操作方法

一是焊接前對氣體流量做檢查，嚴格控制氣體流量，對焊槍噴嘴進行徹底清理；二是嚴格控制焊接工藝參數的設定和調節，做到打底、填充、表面焊接電流電壓的微調；三是打底焊時電流、電壓配比傾向于電壓稍大，為了更好地熔合與背透，焊接速度快而薄，避免余高過高，產生死角不利于焊接；四是填充時，電流電壓可適當加大，可調節到工藝參數要求的上線，這樣易于熔池的流動，有害物質的溢出；五是表面焊接時要適當調低電流和電壓，傾向于電流稍大，因為這樣做可以略增加余高的高度，不至于過平或出現低洼，還可避免焊縫過熱而出現的熱收縮坑；六是層間溫度要控制在250℃以下才能焊接；七是注意層間的修磨不易過大，避免出現坑洼及難熔合的死角而不利于有害于焊縫物質的溢出；八是.盡可能地把焊縫位置放置在水平位置，易于焊接；九是在焊接過程中嚴格把握焊接每一層的厚度，太厚不利于有害物質的溢出。

3.3加強焊接后的質量控制

焊接之后的檢查養護工作也是質量控制的重要組成部分。在完成焊接之后，首先應該做好表面的清潔工作，將焊接處的金屬熔渣還有尖銳突起進行處理，讓表面盡量保持光滑。其次是對焊接處進行性能檢測，檢測內容包括致密性、強度還有連接性能等，要確保焊接過后的材料能夠有效地結成整體。最后是焊接修補，當發現焊接存在不合理地方時，應該根據具體焊接情況設置相應的修補方案。要注意的是，在焊接過程中要做好焊接工作的記錄與備案，方便在后期使用過程中焊接區域出現問題時進行信息查詢，配合完成故障處理。

結束語

綜上所述，高碳鋼由于含碳量較高，淬硬性較大而焊接性較差，焊接時容易產生高碳馬氏體組織，容易產生焊接裂紋，因此在高碳鋼焊接時，要合理選擇焊接工藝，并及時采取相應措施，減少焊接裂紋的出現，提高焊接接頭性能。

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（作者單位：中車青島四方機車車輛股份有限公司）