【必读】碳钢常用焊接方法及焊接工艺分析Ⅱ—中碳钢

适用于碳钢的焊接方法很多，如氧乙炔气焊，各种电弧焊方法，如焊条电弧焊、实心和药芯焊丝埋弧焊、实心和药芯焊丝C0₂气体保护电弧焊、富氩混合气体(Ar+少量CO₂气体)保护电弧焊、自保护药芯焊丝电弧焊、等离子弧焊，非熔化极氩弧焊(TIG焊)和熔化极弧焊(MAG焊)、电渣焊、气电立焊、电阻焊、摩擦焊、钎焊、热剂焊，搅拌摩擦焊，高能束焊(如电子束和激光焊)等。几乎所有焊接方法都可以焊接碳钢。

本期为大家总结了中碳钢的常用焊接方法和焊接工艺分析，希望能够对大家在中碳钢焊接过程中的焊接工艺制定提供帮助。

1. 焊接性分析

中碳钢w(C)范围为0.30%~0.60%。当其碳含量处于该范围的下限时，焊接性良好，随着碳含量提高，焊接性逐渐变差。主要带来的问题就是焊接热影响区，因出现淬硬组织，带来的强度提高，脆化和硬化，冷裂纹敏感性的增大。焊接时，因熔化母材中的碳进入熔池中，导致焊缝金属碳含量增加，且因稀释率的不同而使焊道间的性能变化。尤其是多层多道焊，因焊道稀释率不同，而焊缝的强度、硬度等性能的不均匀性增大。进入熔池中的碳含量增加，也增加了焊缝中出现气孔的敏感性。另外，随着碳含量的增加，增加了焊缝中的S、P偏析，焊缝中的热裂纹倾向增大。特别是母材S、P含量控制接近标准要求的合格值的上限附近时，易出现热裂纹，尤其是弧坑处。焊接沸腾钢时，应保证所选用的焊接材料中有足够脱氧剂，防止焊缝中的气孔。

中碳钢焊接后热影响区更易形成脆硬的马氏体组织，这种组织对氢更敏感，产生冷裂纹所需的临界应力更低。因此在焊接热影响区脆硬组织不能避免前提下，应设法采用低氢型焊条，并设法降低位于焊接热影响区的焊后残余焊接应力水平，如适当提高预热温度等，并降低焊接区的拘束度。

中碳钢即可作为强度较高的结构件采用，也可作为机械部件和工具使用。作为机械部件时，要求其强韧性匹配。甚至同时具备耐磨性。这种情况下，可利用热处理达到所需的性能。

若中碳钢焊接前为退火状态，焊后调质处理达到焊接构件设计性能要求。因此焊接时，尤其是选择焊接材料，应保证焊缝在调质处理后同样能达到母材所希望的强韧性或耐磨性要求。因此选择焊接材料十分重要和关键。若焊前为调质处理状态，一方面应保证焊后焊态下焊缝的性能达到焊接构件的设计性能要求，另一方面，应保证焊接热影响区不过度软化，同时也应保证焊接热影响区不出现明显的硬化区和性能脆化区。减少热影响区软化的办法是限制焊接热输人，而防止焊接热影响区硬化的办法就是要减缓热影响区的冷却速度，如预热、后热，适当提高焊接热输人。若这些工艺措施仍不能保证焊态下焊缝和热影响区性能达到设计指标，可采取整体热处理办法解决。

有时为了提高中碳钢耐磨或耐蚀性能，在表面堆焊一层高合金层。此时应防止堆焊层与基体成分差异过大在熔合区产生过多的合金马氏体组织，易造成该区冷裂纹或产生剥离。

对于中碳钢铸钢件，焊接修复时，应防止焊接冷裂纹或修复部位焊接残余应力过大而导致开裂。

2. 焊接工艺要点

焊接方法应选用焊接热输入易控制，且较小的焊接方法，如焊条电弧焊，C0₂气体保护焊、氩弧焊等。

焊接材料根据工况条件决定，首先应强度上应尽可能与母材等强。对于受动载荷或冲击载荷工况条件下使用的构件，焊接材料选用应保证有一定的塑性和韧性。若构件焊后需要整体热处理，所选焊接材料，应保证焊后热处理焊缝金属的性能满足构件性能要求。为了尽可能降低氢的危害，应尽量选用低氢型焊接材料，也可选择奥氏体型不锈钢焊条进行焊接。

焊接参数选择原则是尽可能减低焊接热输人。如选用小规格的焊接材料，单道不摆动焊接。对于厚度较大焊件，因焊接速度过快而易产生淬硬组织，可通过适当的预热降低焊缝和热影响区冷却速度。

大多数情况下，中碳钢焊接需要预热和层间温度，以降低焊缝和热影响区冷却速度，从而防止和减少马氏体的产生。预热温度取决于碳当盘、母材厚度、结构刚性、焊条类型和焊接方法。通常情况下，35号和45号钢预热温度可在150~250℃，碳含量再高，或厚度增加，或刚性大，预热温度可提高到250~400℃。

对于厚度大或刚性大的构件，或苛刻工况条件(动载荷或冲击载荷)下使用的构件，焊后应立即进行焊后消除应力热处理，消除应力处理的温度一般在600~650℃。如果焊后不能立即进行消除应力处理，可先进行消氢处理，消氢处理温度在250~300℃。若消处理也无法进行，应进行后热，以增加氢从焊接区逸出，并通过减缓焊缝和热影响区的冷却速度，降低组织的硬度。

需要进行焊后调质处理的中碳钢焊件，应控制淬火时的冷却速度，防止在回火前形成淬火裂纹。

对于在中碳钢表面堆焊合金层时，应选用低氢焊接方法，如CO₂气体保护焊，或低氢焊接材料，如埋弧焊碱度较高的焊剂。为了防止堆焊层剥离，可采用碳含量低、合金元素少的焊材先堆焊过渡层，然后再堆焊合金层。

修复厚大的中碳钢铸钢件时，应保证焊前预热温度，并比钢板预热温度高。焊后应立即进行消除应力处理。

3. 典型中碳钢焊接

实际工程中经常焊接中碳钢。中碳钢除大量用作机器零件外，目前有些船舶、建筑钢结构也采用中碳钢。焊接中碳钢时，一般多采用焊条电弧焊或CO₂气体保护焊等。在中碳钢上增加耐磨或耐蚀面的面积较大时，或修复中碳钢上面积较大的磨损面时，也可采用埋弧焊。用上述电弧焊焊接中碳钢时，应要限制焊接热输入，焊接材料在使用前应严格烘干，并按工艺试验确定的温度进行预热，并在焊接过程中保持层间温度与预热温度相当。焊后，根据中碳钢厚度，进行焊后消除应力热处理。当工件厚度较大时，也可增加中间消除应力热处理。保温时间主要按工件的厚度确定。