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(jī)械零件，如主軸、大齒輪和聯(lián)軸器。為了節(jié)約鋼材和簡(jiǎn)化加工工藝，這些機(jī)械零件經(jīng)常采用焊接結(jié)構(gòu)相結(jié)合。高碳鋼構(gòu)件的焊接問(wèn)題在重型機(jī)械制造中也存在。在制定高碳鋼焊接工藝時(shí)，應(yīng)綜合分析各種焊接缺陷，并采取相應(yīng)的焊接工藝措施。

【關(guān)鍵詞】高碳鋼；焊接性；焊接缺陷

中圖分類(lèi)號(hào)：TE963 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

本文主要對(duì)高碳鋼的焊接性與焊接缺陷進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，希望可以為相關(guān)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(lái)說(shuō)，材料如果可以通過(guò)常規(guī)的焊接，就能保持材料結(jié)合緊密，結(jié)構(gòu)質(zhì)量良好，焊接不出現(xiàn)裂紋的話，就說(shuō)明該種材料的焊接性良好。如果材料只能通過(guò)特殊的焊接方式才能獲得良好的焊接接頭，說(shuō)明該材料具有一定的焊接性。如果材料無(wú)論采取何種的焊接工藝，都不能有效的焊接，說(shuō)明這種材料的焊接性很差，不適合用于需要焊接的設(shè)備當(dāng)中。高碳鋼材料在焊接過(guò)程中，內(nèi)部的碳元素會(huì)成為焊接的雜質(zhì)，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(duì)中碳鋼的焊接方式進(jìn)行研究，由于中碳鋼的焊接性較差，在焊接的過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)裂紋還有氣孔，而且焊接出的接頭呈現(xiàn)脆性，因此高碳鋼材料的焊接一般會(huì)采用焊條手工電焊弧焊接。對(duì)于高碳鋼結(jié)構(gòu)的大型構(gòu)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(qiáng)度高。

1.2坡口制備

為了限制焊縫金屬中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，應(yīng)減少熔合比，所以焊接時(shí)一般采用U型或V型坡口，并注意將坡口及坡口兩側(cè)20mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹等處理干凈。

1.3預(yù)熱

預(yù)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(yīng)力和淬硬組織，改善焊接頭的性能、降低焊接區(qū)域硬度、減少殘余應(yīng)力以及排除焊縫區(qū)內(nèi)氫等有害氣體。預(yù)熱是防止冷裂紋產(chǎn)生的有效措施之一。采用結(jié)構(gòu)鋼焊條焊接時(shí)，焊前必須預(yù)熱，預(yù)熱溫度控制在250℃～350℃。1.5層間處理多層多道焊時(shí)，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(dòng)，以使整個(gè)母材熱影響區(qū)都在短時(shí)間內(nèi)受熱，以獲得預(yù)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(jìn)行保溫進(jìn)行消除應(yīng)力退火。焊后執(zhí)行穩(wěn)定化退火處理（接頭加熱到850℃，保溫2h，空冷）消除應(yīng)力和表面酸洗、鈍化處理。對(duì)奧氏體不銹鋼軋制爐管和管件，如原材料要求做穩(wěn)定化處理，則其焊接接頭應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)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(zhì)在進(jìn)行理化檢驗(yàn)時(shí)候化學(xué)分析結(jié)果不穩(wěn)定，一些金屬元素的數(shù)量會(huì)變化，容易出現(xiàn)其他含量的金屬雜質(zhì)，也是由于這些雜質(zhì)致使其間也就容易出現(xiàn)焊接裂紋。除此之外，使用碳弧氣刨倒坡口，極容易會(huì)導(dǎo)致焊區(qū)的局部出現(xiàn)碳化等現(xiàn)象，這樣焊縫的局部就會(huì)形成珠光體，而且脆性較大，在整個(gè)結(jié)晶的過(guò)程中，極有可能會(huì)產(chǎn)生裂紋。焊接時(shí)選用低氫型焊條及堿性焊劑，必須控制低含氫量，這對(duì)防止冷裂紋至關(guān)重要，為此，焊前焊條應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范烘干、保存、發(fā)放、回收。若設(shè)計(jì)允許應(yīng)采用比母材強(qiáng)度低一級(jí)的焊條進(jìn)行打底、焊接。采用預(yù)熱（保持層間溫度）、后熱等措施，防止出現(xiàn)冷裂紋。嚴(yán)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(shù)大的焊縫等措施，防止產(chǎn)生熱裂紋。

2.2變形

部件在焊接的過(guò)程中，使焊縫出現(xiàn)焊接變形的情況，但由于部件的剛度大，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力較大而導(dǎo)致焊縫裂紋。有些焊縫裂紋嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致壓力容器爆炸，部件的角變形與錯(cuò)邊導(dǎo)致的，這一缺陷會(huì)導(dǎo)致容器的焊接處出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不連續(xù)等現(xiàn)象，導(dǎo)致了焊接的邊緣出現(xiàn)一系列的裂紋。該類(lèi)缺陷的特點(diǎn)是由于應(yīng)力都過(guò)于集中在焊縫接觸處，會(huì)加大風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)增加出現(xiàn)安全事故的可能性。

3高碳鋼的焊接缺陷預(yù)防措施

3.1防止裂紋措施

（1）要求S≤0.02%，適當(dāng)提高碳含量，使之形成雙相組織。（2）在明弧手工焊時(shí)，可在焊條藥皮中加入適當(dāng)金屬或鐵合金粉末，通過(guò)焊條藥皮來(lái)實(shí)現(xiàn)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(huì)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(dǎo)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(yīng)力控制在最小范圍。（6）為防止弧坑裂紋，斷弧時(shí)要進(jìn)行弧坑處理。（7）制氫轉(zhuǎn)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(xiàng)和操作方法

一是焊接前對(duì)氣體流量做檢查，嚴(yán)格控制氣體流量，對(duì)焊槍噴嘴進(jìn)行徹底清理；二是嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)的設(shè)定和調(diào)節(jié)，做到打底、填充、表面焊接電流電壓的微調(diào)；三是打底焊時(shí)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(guò)高，產(chǎn)生死角不利于焊接；四是填充時(shí)，電流電壓可適當(dāng)加大，可調(diào)節(jié)到工藝參數(shù)要求的上線，這樣易于熔池的流動(dòng)，有害物質(zhì)的溢出；五是表面焊接時(shí)要適當(dāng)調(diào)低電流和電壓，傾向于電流稍大，因?yàn)檫@樣做可以略增加余高的高度，不至于過(guò)平或出現(xiàn)低洼，還可避免焊縫過(guò)熱而出現(xiàn)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(guò)大，避免出現(xiàn)坑洼及難熔合的死角而不利于有害于焊縫物質(zhì)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(guò)程中嚴(yán)格把握焊接每一層的厚度，太厚不利于有害物質(zhì)的溢出。

3.3加強(qiáng)焊接后的質(zhì)量控制

焊接之后的檢查養(yǎng)護(hù)工作也是質(zhì)量控制的重要組成部分。在完成焊接之后，首先應(yīng)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(jìn)行處理，讓表面盡量保持光滑。其次是對(duì)焊接處進(jìn)行性能檢測(cè)，檢測(cè)內(nèi)容包括致密性、強(qiáng)度還有連接性能等，要確保焊接過(guò)后的材料能夠有效地結(jié)成整體。最后是焊接修補(bǔ)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)焊接存在不合理地方時(shí)，應(yīng)該根據(jù)具體焊接情況設(shè)置相應(yīng)的修補(bǔ)方案。要注意的是，在焊接過(guò)程中要做好焊接工作的記錄與備案，方便在后期使用過(guò)程中焊接區(qū)域出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)進(jìn)行信息查詢，配合完成故障處理。

結(jié)束語(yǔ)

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(shí)容易產(chǎn)生高碳馬氏體組織，容易產(chǎn)生焊接裂紋，因此在高碳鋼焊接時(shí)，要合理選擇焊接工藝，并及時(shí)采取相應(yīng)措施，減少焊接裂紋的出現(xiàn)，提高焊接接頭性能。

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（作者單位：中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司）