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摘 要：中碳钢由于钢中含有较高的碳，其焊接性较差，因而在焊接过程中，若采取的工艺措施不正确，常常会产生裂纹、气孔等缺陷。焊接中碳钢时，应充分考虑其焊接性及产生的焊接缺陷，制定合理的焊接工艺措施，生产出合格的焊接产品。
关键词：中碳钢 措施 焊接 合理 裂纹 预热
中图分类号：TG457.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（a）-0061-01
中碳钢是含碳量为0.25%～0.60%的铁碳合金。由于钢中含有较高的碳，其焊接性较差，因而在焊接过程中，若采取的工艺措施不正确，常常会产生裂纹、气孔等缺陷。这就要求合理地选择焊接材料、焊接方法，采取必要的预热、后热及焊后热处理等的工艺措施来减少和防止这些缺陷的产生。钢中含碳量越高，板壁越厚，母材近缝区越容易产生低塑性的淬硬组织。焊件刚度大，如果冷却速度较快和焊条选用不当，容易产生冷裂纹。当母材熔化到第一层焊缝金属中的比例为30%时，由于焊缝的含碳量较高，焊缝金属容易产生裂纹。
1 中碳钢的焊接性
裂纹是焊接结构最危险的一种缺陷，不仅会使产品报废，而且还可能引起严重的事故。在焊接生产中出现的裂纹形式是多种多样的，有的裂纹出现在焊缝表面，肉眼就能观察到；有的隐藏在焊缝内部，不通过探伤检查，不能发现。有的产生在焊缝中，有的则产生在热影响区中。根据裂纹产生的情况，可把焊接裂纹归纳为热裂纹、冷裂纹。
1.1 热裂纹
热裂纹绝大多数产生在焊缝金属中，露出焊缝外表面的裂纹断面有明显的氧化色彩。热裂纹发生在晶界上，一般为沿晶裂纹。合金元素是影响热裂纹倾向最根本的因素，其中主要的有硫、碳、硅。硫在钢中能形成多种低熔点共晶体，它们的熔点比钢的熔点要低的多。这些低熔点共晶体在焊缝结晶时聚集在晶界上，当焊缝金属大部分已凝固时，它尚未凝固，形成液态薄膜，因而显著增大热裂纹倾向。当碳钢和低合金钢中含碳量增加时，焊缝金属的淬硬性增加，焊缝中由于组织变化而产生的应力增大，从而增大产生热裂纹的倾向。当硅含量超过0.4%时，容易形成硅酸盐夹杂，增大热裂纹的倾向。
1.2 冷裂纹
冷裂纹是焊接接头冷却到较低温度时产生的焊接裂纹，它可以在焊后立即出现，也可以延迟几个小时、几周，甚至更长得到时间以后产生。冷裂纹大多产生在母材或母材与焊缝交界的熔合线上，显露在接头金属表面的裂纹，其断口发亮。焊接时，钢的淬硬倾向越大，越易产生冷裂纹。如果焊接的是易淬火钢，将从奥氏体转变为马氏体，而氢在不同的组织中的溶解度是不同的，氢在马氏体中的溶解度比奥氏体小得多，这样在焊接接头冷却时，析出的氢就向周围热影响区扩散，待热影响区组织也转变成马氏体后，便有相当多的氢聚集在熔合线附近，形成一个富氢带，加之奥氏体组织转变成马氏体组织时，由于体积膨胀而产生的相变应力等，就会使钢产生冷裂纹。
1.3 气孔
焊接时，熔池中的气泡在凝固时未能及时逸出，而残留下来所形成的空穴，称为气孔。气孔的形状有椭圆形、球形、链状和蜂窝状等。气孔对焊缝金属的性能有很大的影响，不仅减小焊缝的有效工作面积，使焊缝力学性能下降，而且破坏了焊缝的致密性，容易造成容器泄露。气孔严重时，会使金属结构在工作时破坏。
2 制定合理的焊接工艺措施
焊接中碳钢时，应充分考虑其焊接性及产生的焊接缺陷，制定合理的焊接工艺措施，制造出合格的焊接产品。
（1）尽可能采用碱性低氢型焊条，这类焊条的抗冷裂和抗热烈能力较高。个别情况下，通过严格控制预热温度和尽量减小母材熔深即减少焊缝中的含碳量等工艺措施，采用钛铁钙型焊条也可得到满意效果。当焊接接头的强度不要求和母材相等时，应选用强度较低的碱性低氢型焊条，如J426、H427。这类焊条焊接的焊缝塑性好，产生热裂纹和冷裂纹的危险性更小。在特殊情况下，可采用铬镍不锈钢焊条焊接或补焊中碳钢，其特点是在焊前不预热的情况下，也不容易产生近缝区的冷裂纹，用于焊接中碳钢的铬镍不锈钢焊条有A302、A307、A402、A407等，采用这类焊条焊接时电流要小，焊接层数要多，操作时母材熔深要浅，但成本高，一般不宜采用。
（2）预热是焊补和焊接中碳钢的主要工艺措施，尤其是焊件的厚度、刚度较大时，预热有利于减小热影响区的最高硬度，防止产生冷裂纹，并能改善接头塑性。整体预热和恰当的局部预热还能减小焊后残余应力。含碳量不同的中碳钢的焊接和焊补的预热温度没有统一规定。这是因为选择预热温度不仅由焊条的含碳量来决定，而且还受其它因素的影响，例如焊件的大小及厚度、焊条类型、焊接参数及结构的刚性等。一般情况下，35号钢和45号钢预热温度可选用150 ℃～400 ℃。局部预热的加热范围为焊口两侧150～200 mm左右。预热不仅需要一定的物质条件，而且劳动条件差。国内在生产实践基础上，积累了焊补中碳钢大型工件的丰富经验。例如水泥设备中常用的大型铸件如托轮、轮带、齿圈等，在铸造以及现场使用过程中往往会出现裂纹、气孔、砂眼等的的缺陷，对以上产品进行补焊对使用寿命尤为重要。焊补前应彻底检查裂纹，并将裂纹修成一定的坡口形式，坡口底部不要成尖角状。为了避免在錾削过程中裂纹受振动而蔓延，錾削前应在裂纹的两端钻直径为10～15 mm的小孔。裂纹的焊补一般采用E5015型焊条，焊后的焊缝强度和塑性均能满足要求。
（3）在焊接过程中还要注意焊接顺序，并根据具体情况，在焊接前还可以在焊补处进行局部预热（300 ℃～350 ℃），同时适当敲击焊缝处，以消除局部应力，防止产生新的裂纹。
（4）焊接坡口应尽量开成U形，如果是焊件缺陷，铲挖出的坡口外形应圆滑，其目的是减少母材熔入焊缝金属中的比例，有利有防止裂纹。可以采用风铲、气割、碳弧气刨等方法开坡口。但采用热加工时，如果有产生气割裂纹的危险，应采取局部预热和放慢切割速度等措施，坡口及附近的油污要清楚干净。
（5）注意焊条在使用前要烘干，碱性焊条烘干的温度为350 ℃～400 ℃，时间是1～2 h；钛钙形等酸性焊条烘干温度为150 ℃，时间是1～2 h。焊接第一层焊缝时，尽量采用小电流、慢焊速，以减小母材的熔深，但必须注意将母材熔透，避免产生夹渣及未熔合等缺陷。焊后尽可能缓冷，有时可采用锤击焊缝的方法减小焊接残余应力。
中碳钢分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢，强度和硬度低较高，塑性和韧性较低，热加工及切削性良好，但焊接性差。如果采用合适的焊接工艺方法，制定合理的焊接工艺措施，就能生产出具有综合力学性能的机械零件，所以广泛的应用于建筑、机械、钢结构等工业生产中。
关键词：中碳钢 措施 焊接 合理 裂纹 预热
中图分类号：TG457.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（a）-0061-01
中碳钢是含碳量为0.25%～0.60%的铁碳合金。由于钢中含有较高的碳，其焊接性较差，因而在焊接过程中，若采取的工艺措施不正确，常常会产生裂纹、气孔等缺陷。这就要求合理地选择焊接材料、焊接方法，采取必要的预热、后热及焊后热处理等的工艺措施来减少和防止这些缺陷的产生。钢中含碳量越高，板壁越厚，母材近缝区越容易产生低塑性的淬硬组织。焊件刚度大，如果冷却速度较快和焊条选用不当，容易产生冷裂纹。当母材熔化到第一层焊缝金属中的比例为30%时，由于焊缝的含碳量较高，焊缝金属容易产生裂纹。
1 中碳钢的焊接性
裂纹是焊接结构最危险的一种缺陷，不仅会使产品报废，而且还可能引起严重的事故。在焊接生产中出现的裂纹形式是多种多样的，有的裂纹出现在焊缝表面，肉眼就能观察到；有的隐藏在焊缝内部，不通过探伤检查，不能发现。有的产生在焊缝中，有的则产生在热影响区中。根据裂纹产生的情况，可把焊接裂纹归纳为热裂纹、冷裂纹。
1.1 热裂纹
热裂纹绝大多数产生在焊缝金属中，露出焊缝外表面的裂纹断面有明显的氧化色彩。热裂纹发生在晶界上，一般为沿晶裂纹。合金元素是影响热裂纹倾向最根本的因素，其中主要的有硫、碳、硅。硫在钢中能形成多种低熔点共晶体，它们的熔点比钢的熔点要低的多。这些低熔点共晶体在焊缝结晶时聚集在晶界上，当焊缝金属大部分已凝固时，它尚未凝固，形成液态薄膜，因而显著增大热裂纹倾向。当碳钢和低合金钢中含碳量增加时，焊缝金属的淬硬性增加，焊缝中由于组织变化而产生的应力增大，从而增大产生热裂纹的倾向。当硅含量超过0.4%时，容易形成硅酸盐夹杂，增大热裂纹的倾向。
1.2 冷裂纹
冷裂纹是焊接接头冷却到较低温度时产生的焊接裂纹，它可以在焊后立即出现，也可以延迟几个小时、几周，甚至更长得到时间以后产生。冷裂纹大多产生在母材或母材与焊缝交界的熔合线上，显露在接头金属表面的裂纹，其断口发亮。焊接时，钢的淬硬倾向越大，越易产生冷裂纹。如果焊接的是易淬火钢，将从奥氏体转变为马氏体，而氢在不同的组织中的溶解度是不同的，氢在马氏体中的溶解度比奥氏体小得多，这样在焊接接头冷却时，析出的氢就向周围热影响区扩散，待热影响区组织也转变成马氏体后，便有相当多的氢聚集在熔合线附近，形成一个富氢带，加之奥氏体组织转变成马氏体组织时，由于体积膨胀而产生的相变应力等，就会使钢产生冷裂纹。
1.3 气孔
焊接时，熔池中的气泡在凝固时未能及时逸出，而残留下来所形成的空穴，称为气孔。气孔的形状有椭圆形、球形、链状和蜂窝状等。气孔对焊缝金属的性能有很大的影响，不仅减小焊缝的有效工作面积，使焊缝力学性能下降，而且破坏了焊缝的致密性，容易造成容器泄露。气孔严重时，会使金属结构在工作时破坏。
2 制定合理的焊接工艺措施
焊接中碳钢时，应充分考虑其焊接性及产生的焊接缺陷，制定合理的焊接工艺措施，制造出合格的焊接产品。
（1）尽可能采用碱性低氢型焊条，这类焊条的抗冷裂和抗热烈能力较高。个别情况下，通过严格控制预热温度和尽量减小母材熔深即减少焊缝中的含碳量等工艺措施，采用钛铁钙型焊条也可得到满意效果。当焊接接头的强度不要求和母材相等时，应选用强度较低的碱性低氢型焊条，如J426、H427。这类焊条焊接的焊缝塑性好，产生热裂纹和冷裂纹的危险性更小。在特殊情况下，可采用铬镍不锈钢焊条焊接或补焊中碳钢，其特点是在焊前不预热的情况下，也不容易产生近缝区的冷裂纹，用于焊接中碳钢的铬镍不锈钢焊条有A302、A307、A402、A407等，采用这类焊条焊接时电流要小，焊接层数要多，操作时母材熔深要浅，但成本高，一般不宜采用。
（2）预热是焊补和焊接中碳钢的主要工艺措施，尤其是焊件的厚度、刚度较大时，预热有利于减小热影响区的最高硬度，防止产生冷裂纹，并能改善接头塑性。整体预热和恰当的局部预热还能减小焊后残余应力。含碳量不同的中碳钢的焊接和焊补的预热温度没有统一规定。这是因为选择预热温度不仅由焊条的含碳量来决定，而且还受其它因素的影响，例如焊件的大小及厚度、焊条类型、焊接参数及结构的刚性等。一般情况下，35号钢和45号钢预热温度可选用150 ℃～400 ℃。局部预热的加热范围为焊口两侧150～200 mm左右。预热不仅需要一定的物质条件，而且劳动条件差。国内在生产实践基础上，积累了焊补中碳钢大型工件的丰富经验。例如水泥设备中常用的大型铸件如托轮、轮带、齿圈等，在铸造以及现场使用过程中往往会出现裂纹、气孔、砂眼等的的缺陷，对以上产品进行补焊对使用寿命尤为重要。焊补前应彻底检查裂纹，并将裂纹修成一定的坡口形式，坡口底部不要成尖角状。为了避免在錾削过程中裂纹受振动而蔓延，錾削前应在裂纹的两端钻直径为10～15 mm的小孔。裂纹的焊补一般采用E5015型焊条，焊后的焊缝强度和塑性均能满足要求。
（3）在焊接过程中还要注意焊接顺序，并根据具体情况，在焊接前还可以在焊补处进行局部预热（300 ℃～350 ℃），同时适当敲击焊缝处，以消除局部应力，防止产生新的裂纹。
（4）焊接坡口应尽量开成U形，如果是焊件缺陷，铲挖出的坡口外形应圆滑，其目的是减少母材熔入焊缝金属中的比例，有利有防止裂纹。可以采用风铲、气割、碳弧气刨等方法开坡口。但采用热加工时，如果有产生气割裂纹的危险，应采取局部预热和放慢切割速度等措施，坡口及附近的油污要清楚干净。
（5）注意焊条在使用前要烘干，碱性焊条烘干的温度为350 ℃～400 ℃，时间是1～2 h；钛钙形等酸性焊条烘干温度为150 ℃，时间是1～2 h。焊接第一层焊缝时，尽量采用小电流、慢焊速，以减小母材的熔深，但必须注意将母材熔透，避免产生夹渣及未熔合等缺陷。焊后尽可能缓冷，有时可采用锤击焊缝的方法减小焊接残余应力。
中碳钢分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢，强度和硬度低较高，塑性和韧性较低，热加工及切削性良好，但焊接性差。如果采用合适的焊接工艺方法，制定合理的焊接工艺措施，就能生产出具有综合力学性能的机械零件，所以广泛的应用于建筑、机械、钢结构等工业生产中。