低碳钢的焊接性与焊接缺陷分析

刘瑞国 孙振爽

摘 要：低碳钢焊接性好，几乎可以选择所有的焊接方法，并能保证焊接接头的良好质量，但也存在一些缺陷。本文分析了低碳钢的焊接性和常见焊接缺陷，并针对各种焊接缺陷提出了预防措施。

关键词：低碳钢；焊接性；焊接缺陷

引言

低碳钢的碳含量较低，合金元素锰和硅的含量亦不高。总的来说，其焊接性良好，不会因焊接热周期的快速冷却，引起淬硬而使组织脆化。因此，在焊接板厚小于70mm的焊件时，焊前不需预热，不必严格保持层间温度。除了锅炉、压力容器等重要的焊接结构外，焊后不必作消除应力处理，整个焊接过程不必采取特殊的工艺措施，焊接性能优良。当采用高热输入焊接法焊接低碳钢时，也会出现各种问题。

一、关于低碳钢的焊接性

一是焊接方法多样。低碳钢焊接性好，几乎可以选择所有的焊接方法，并能保证焊接接头的良好质量，例如氧乙炔、焊条电弧焊、埋弧焊、氩弧焊、二氧化碳气体保护焊、电渣焊、等离子弧焊、电阻焊、摩擦焊和钎焊等。近年来新开发的一些高效、高质量的焊接方法和焊接工艺也在低碳钢焊接中得到了广泛应用，例如高效率铁粉焊条和重力焊条电弧焊、氩弧焊封底-快速焊剂埋弧焊、窄间隙埋弧焊、药芯焊丝气体保护焊等。

二是焊接材料选用范围多。低碳钢焊接时选择材料应遵循等强度匹配的原则，也就是根据母材强度等级及工作条件来选择焊接材料。低碳钢结构通常使用抗拉强度平均值为420MPa的钢材，而E43xx系列焊条熔敷金属的抗拉强度不低于420MPa，在力学性能上正好与之相互匹配。这一系列焊条有多种型号，可根据具体情况选用。

二、低碳钢施焊工艺要点

低碳钢焊接时一般不需要特殊的工艺措施，但在工件厚度较大或环境温度较低（T≤0℃）时，会因冷却速度加快而导致接头裂纹倾向增加，例如在焊接直径大于3000mm且壁厚不小于50mm的结构，焊接壁厚不小于90mm的第一道焊道，受压容器壁厚不小于20mm时的焊缝等均有可能产生裂纹，因此焊接時应采取如下工艺措施：

1）焊前预热，焊接时保持道间温度。预热温度根据实践经验和实验结果来确定，不同产品的预热温度有所不同。

2）采用低氢或超低氢型焊接材料。

3）连续施焊整条焊缝，避免中断。

4）在坡口内引弧，避免擦伤母材，注意息弧时填满弧坑。

5）不在低温下进行成形、矫正和装配。

6）尽可能改善严寒的劳动条件。

三、焊接过程中存在的困难

由于低碳钢含碳量低，锰、硅含量也少，所以，通常情况下不会因焊接而产生严重硬化组织或淬火组织。低碳钢焊后的接头塑性和冲击韧度良好，焊接时，一般不需要预热、控制层间温度和后热，焊后也不必采用热处理改善组织，整个焊接过程不必采取特殊的工艺措施，焊接性优良。在少数情况下，焊接时也会出现困难：

1、采用旧冶炼方法生产的转炉钢含氮量高，杂质含量多，从而冷脆性大，时效敏感性增加，焊接接头质量降低，焊接性变差。

2、沸腾钢脱氧不完全，含氧量较高，P等杂质分布不均匀，局部地区含量会超标，时效敏感性及冷脆性敏感性大，热裂纹倾向也增大。

3、采用质量不符合要求的焊条，使焊缝金属中的碳、硫含量过高，会导致产生裂纹。如某厂采用酸性焊条焊接Q235-A钢时，因焊条药皮中锰铁的含碳量过高，会引起焊缝产生热裂纹。

4、某些焊接方法会降低低碳钢焊接接头的质量。如电渣焊，由于线能量大，会使焊接热影响区的粗晶区晶粒长得十分粗大，引起冲击韧度的严重下降，焊后必须进行细化晶粒的正火处理，以提高冲击韧度。

四、焊接缺陷与预防措施

一是焊缝金属的热裂纹问题。在直边对接接头的单面或双面埋弧焊中，当母材的w（C）超过0.20%，w（S）大于0.03%，且板厚大于16mm时，往往会在焊缝的中心线形成热裂纹。当母材的偏析现象严重时，也可能在枝晶间形成人字形裂纹。这些裂纹形成的原因是，在直边对接接头焊接时，母材在焊缝中所占的比率较大（约70%），使焊缝金属中的碳、硫、磷含量超过了产生热裂纹的临界值，如焊缝成形系数小于1.3就会导致焊缝金属形成热裂纹。为防止这种热裂纹的形成，一是可选用碳含量较低的焊丝；二是调整焊接参数，以改善焊缝的成形。如采取这两种措施均未凑效，则必须修改焊接工艺，在接缝边缘开一定深度的V形或U形坡口，减少母材在焊缝中的混合比，从而降低焊缝中的碳、硫含量。

二是液化裂纹问题。液化裂纹多半出现于以高热输入量焊接的直边对接焊接接头中，裂纹部位总是在焊缝的熔合区。这种液化裂纹的尺寸很小，有的甚至只有几个晶粒的长度，不易被发现，但经常导致焊接产品试板弯曲，试样冷弯不合格。在分析液化裂纹的成因时发现，虽然所焊母材的碳、硫等含量均在钢材标准规定的范围之内，但因冶炼质量低劣，存在明显的偏析带，使硫、磷等有害杂质含量局部偏高；当以高热输入焊接时，焊缝熔合区在高温停留的时间较长，如焊接应变速率高于晶体变形能力的增长速度，就会产生液化裂纹；但弧焊热周期高温段的时间较短，限制了液化裂纹的扩展，如不仔细检查，则很难发现这种裂纹。为消除这种液化裂纹，首先可适当降低焊接热输入，加快焊接速度，以缩短焊缝在高温停留的时间；但热输入量的降低可能会引起未焊透。因此，当热输入降低至容许的最低值而仍未消除液化裂纹时，则必须采取第二种办法，即将直边对接改成V形坡口对接，并将单层焊改为多层焊。这样，虽然降低了焊接效率，但避免了液化裂纹，保证了焊缝的质量。

三是层状撕裂问题。在焊接厚度大于60mm的碳钢厚板接头时，如钢材的冶炼质量较差，存在较多的非金属夹杂物，则在焊接应力较高的接头中，在焊接热影响区或靠近热影响区部位，有时会形成层状撕裂，并向平行于钢板轧制方向扩展。层状撕裂在角接和对接接头中均可能产生。这种裂纹通常在接头冷却至200℃温度以下，受较高的焊接应力的作用而产生。因此，层状撕裂是焊接冷裂纹的一种特殊形式。层状撕裂主要是由于钢板夹层中，存在非金属夹杂物，在钢板厚度方向焊接拉应力的作用下，使其与基体剥离，形成层状撕裂斑点。当这些斑点长大到一定尺寸时，则以脆断的形式扩展，再合并成宏观裂纹。避免层状撕裂最基本的方法，是选择保证厚度方向性能的钢材，如建筑结构用钢中的Q235GJ-Z15、Q235GJ-Z25和Q235GJ-Z35；其次是从焊接工艺上采取相应措施，例如，对焊件进行适当的预热；降低焊接热输入量和减小焊缝尺寸；降低焊接收缩应力等。对于钢板分层严重的焊件，一种有效的解决办法是在坡口表面做一定厚度的预堆焊。

结束语

综上所述，低碳钢是目前工业用钢中焊接性最好的钢种，几乎所有的焊接方法都可以用来焊接低碳钢。当采用高热输入焊接法焊接低碳钢时，要采取相应措施，保证焊缝质量。

参考文献

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（作者单位：中车青岛四方机车车辆股份有限公司）