高碳钢的焊接性与焊接缺陷分析

2018-04-28卢晨孙贵舜

世界家苑 2018年2期

卢晨孙贵舜

摘要：高碳钢在经适当热处理或冷拔硬化后，具有高的强度和硬度、高的弹性极限和疲劳极限，切削性能尚可，但焊接性能和冷塑性变形能力差。本文从焊接方法、焊接材料等方面分析了高碳钢的焊接性，并针对高碳钢焊接时容易出现的焊接缺陷提出了相应的预防措施。

关键词：高碳钢；焊接性；焊接缺陷；裂纹

引言：高碳钢是指w（C）高于0.6%的碳钢，它比中碳钢具有更大的淬硬倾向，并形成高碳马氏体，对冷裂纹的形成更为敏感。同时，焊接热影响区内形成的马氏体组织，性能硬而脆，导致接头的塑性和韧性大大下降，因此高碳钢的焊接性相当差，必须采取特殊的焊接工艺，才能保证接头的性能。因此，在焊接结构中，一般很少采用。高碳钢主要用于要求高硬度和耐磨性的机器零部件，如转轴、大型齿轮和联轴器等。为节省钢材，简化加工工艺，这些机器零部件也往往采用焊接结构组合而成。在重型机器制造中，也会碰到高碳钢部件的焊接问题。在制定高碳钢焊件的焊接工艺时，应全面分析可能产生的各种焊接缺陷，并采取相应的焊接工艺措施。

一、关于高碳钢的特点

高碳钢的硬度、强度主要取决于钢中固溶的碳量，并随固溶碳量的增加而提高。固溶碳量超过0.6%时，淬火后硬度不再增加，只是过剩的碳化物数量增多，钢的耐磨性略有增加，而塑性、韧性和弹性有所降低。为此，常根据使用条件和对钢的强度、韧性匹配来选用不同的钢号。例如，制造受力不大的弹簧或簧式零件，可选择较低碳量的65钢。一般高碳钢可用电炉、平炉、氧气转炉生产。要求质量较高或特殊质量时可采用电炉冶炼加真空自耗或电渣重熔。冶熔时，严格控制化学成分，特别是硫和磷的含量。为减少偏析，提高等向性能，钢锭可进行高温扩散退火（对工具钢尤为重要）。热加工时，过共析钢的停锻（轧）温度要求低（约800℃），锻轧成材后应避免粗大网状碳化物的析出，在700℃以下应注意缓冷，以防热应力造成裂纹。热处理或热加工过程中要防止表面脱碳（对弹簧钢尤为重要）。热加工时要有足够的压缩比，以保证钢的质量和使用性能。优点：热处理后可以得到高的硬度（HRC60一65）和较好的耐磨性。退火状态下硬度适中，具有较好的可切削性。原材料易得，生产成本低。其缺点是：热硬性差，当刀具工作温度大于200℃时，其硬度和耐磨性急剧下降。淬透性低。水淬时完全淬透的直径一般仅为15一18mm；油淬时完全淬透的最大直径或厚度仅为6mm 左右，并易变形开裂。

二、高碳钢的焊接性

焊接方法：高碳钢主要用于高硬度和高耐磨性的结构，所以主要的焊接方法是焊条电弧焊、钎焊和埋弧焊。

焊接材料：高碳钢焊接一般不要求接头与母材等强度。焊条电弧焊时一般选用去硫能力强、熔敷金属扩散氢含量低、韧性较好的低氢型焊条。在要求焊缝金属与母材等强度时，应选用相应级别的低氢型焊条；在不要求焊缝金属与母材等强度时，应选用强度级别低于母材的低氢型焊条，切记不能选择强度级别比母材高的焊条。如果焊接时母材不允许预热，为了防止热影响区冷裂纹，可选用奥氏体不锈钢焊条，以获得塑性好、抗裂纹能力强的奥氏体组织。

坡口制备：为了限制焊缝金属中碳的质量分数，应减少熔合比，所以焊接时一般采用U型或V型坡口，并注意将坡口及坡口两侧20mm范围内的油污、铁锈等处理干净。

预热：采用结构钢焊条焊接时，焊前必须预热，预热温度控制在250℃～350℃。

层间处理：多层多道焊时，第一道焊采用小直径焊条，小电流焊接。一般将工件置于半立焊或使用焊条横向摆动，以使整个母材热影响区都在短时间内受热，以获得预热和保温效果。

焊后热处理：焊后立即将工件放入加热炉中，在650℃进行保温进行消除应力退火。

焊接工艺：（1）由于高碳钢零件为了获得高硬度和耐磨性，材料本身都需经过热处理，所以焊前应先进行退火，才能进行焊接。（2）焊件焊前应进行预热，预热温度一般为250～ 350℃ 以上，焊接过程中必需保持层间温度不低于预热温度。（3）焊后焊件必需保温缓冷，并立即送入炉中在 650℃ 进行消除应力热处理。

三、高碳钢的焊接缺陷及防止措施

由于高碳钢淬硬倾向很大，在焊接时容易出现热裂纹和冷裂纹。

（一）热裂纹的防止措施

1）控制焊缝的化学成分，严格控制硫、磷的含量，适当提高含锰量，以改善焊缝组织，减少偏析。

2）控制焊缝断面形状，宽深比要稍大些，以避免焊缝中心的偏析。

3）对刚性大的焊件，应选择合适的焊接参数、合适的焊接次序和方向。

4）必要时采取预热和缓冷措施，来防止热裂纹的产生。