碳钢焊接性解析：含碳量对焊接性能的影响及碳钢焊接性详解

1 什么是可焊性？描述碳钢的焊接性能。

可焊性是指材料在有限的施工条件下焊接成符合规定设计要求和满足预定使用要求的构件的能力。可焊性受四个因素影响：材料、焊接方法、元件类型和使用要求。

碳钢是以铁元素为基础的铁碳合金，碳是合金元素，其碳的质量分数不超过1%。另外，锰的质量分数不超过1.2%，硅的质量分数不超过0.5%。两者都不充当合金元素。其他元素如Ni、Cr、Cu等控制在残留量限度内，不作为合金元素使用。 S、P、O、N等杂质元素根据钢种和牌号有严格限制。因此，碳钢的焊接性主要取决于碳含量。随着碳含量的增加，焊接性逐渐变差。其中低碳钢的焊接性最好，见表1。

表1 碳钢焊接性与碳含量的关系

姓名

碳的质量分数(%)

典型硬度

典型用途

焊接性

低碳钢

≤0.15

60HRB

特殊板材和型材 板材、带材、焊丝

出色的

0.15～0.25

90HRB

结构型材、板材、棒材

好的

中碳钢

0.25～0.60

25HRC

机器零件和工具

中等（需要预热和后热，推荐低氢焊接方法）

高碳钢

≥0.60

40HRC

弹簧、模具、导轨

差（需要预热、后热，必须采用低氢焊接方法）

2 什么是碳当量？碳钢的碳当量如何计算？

将钢中合金元素（包括碳）的含量按其作用用碳的当量含量代替，称为钢的碳当量，可作为评价钢的焊接性的参考指标。

碳钢中除C外，主要元素是Mn和Si。随着它们含量的增加，焊接性变差，但其效果不如碳强。国际焊接学会推荐的碳当量公式为

随着碳当量值的增加，钢的焊接性变差。当CE值大于0.4%～0.6%时，对冷裂纹的敏感性会增加，焊接时需要采取预热、后热、低氢焊材等一系列工艺措施。

3、用碳当量值评价钢的焊接性有哪些局限性？

碳当量值只能用来概括、相对地评价钢在一定范围内的焊接性能。这是因为：

1）如果两种钢的碳当量值相等，但含碳量不同，含碳量较高的钢在焊接过程中很容易产生硬化组织，其裂纹倾向会明显高于是指含碳量较低的钢。其体积较大，焊接性较差。因此，当钢材碳当量值相等时，不能认为焊接性完全相同。

2）碳当量的计算值仅表示化学成分对焊接性的影响。它没有考虑到不同的冷却速率可以产生不同的结构。冷却速度快时，容易产生硬化组织，焊接性变差。

3）影响焊缝金属组织从而影响可焊性的因素，除了化学成分和冷却速度外，还有焊接循环中的最高加热温度和高温停留时间等参数，它们是不以碳当量值计算公式表示。出来。

因此，碳当量值的计算公式只能笼统、相对地评价一定钢种范围内钢的焊接性，不能作为准确的评价指标。

4 描述低碳钢的焊接性。

由于低碳钢含有低碳和低锰、硅含量，因此通常不会因焊接而产生严重硬化或淬火组织。低碳钢焊接后的接头具有良好的塑性和冲击韧性。焊接时一般不需要预热、控制层间温度和后加热。焊后无需采用热处理来改善结构。整个焊接过程无需采取特殊的工艺措施。优良的焊接性。

但在少数情况下，焊接时可能会出现困难：

1）采用旧冶炼方法生产的转炉钢，氮含量高，杂质含量高，导致冷脆性高，时效敏感性增大，焊接接头质量降低，焊接性差。

2）沸腾钢脱氧不完全，氧含量高，P等杂质分布不均匀，局部含量超标。具有较高的时效敏感性和冷脆敏感性，热裂倾向也增大。

3）使用质量不符合要求的焊条，会使焊缝金属中的碳、硫含量过高，从而导致裂纹。例如，工厂使用酸性焊条焊接Q235-A钢时，焊条药皮中锰铁的碳含量过高，会导致焊缝产生热裂纹。

4）某些焊接方法会降低低碳钢焊接接头的质量。例如，在电渣焊中，由于线能量较高，焊接热影响区粗晶区的晶粒会长大得很大，造成冲击韧性严重下降。焊后必须进行正火处理以细化晶粒，以提高冲击韧性。

总之，低碳钢是焊接性最好、最容易焊接的钢种。所有焊接方法均可适用于低碳钢的焊接。

5 焊接低碳钢时如何正确选择焊接材料？

⑴手弧焊电极的选择常用低碳钢Q235的平均抗拉强度为417.5MPa。根据等强度原则，配套电极应为E43系列。低碳钢几种不同钢种的手工电弧焊焊条的选择见表2。

表2 低碳钢手工电弧焊焊条选择

钢号

通用结构选型

焊条型号

动载荷、复杂厚板结构、锅炉压力容器、低温焊接

所选焊条型号

焊接条件

Q235

E4313、E4303、E4301、E4320、E4311

E4316、E4315

（E5016、E5015）

一般不需预热

Q255

一般不需预热

Q275

E4316、E4315

E5016、E5015

厚板结构预热150℃以上

08, 10, 15, 20

E4303、E4301、E4320、E4311

E4316、E4315

（E5016、E5015）

一般不需预热

25

E4316、E4315

E5016、E5015

厚板结构预热150℃以上

20克、22克

E4303、E4301

E4316、E4315

（E5016、E5015）

厚板结构预热100~150℃

20R

E4303、E4301

E4316、E4315

（E5016、E5015）

一般不需预热

注：表中括号内焊条型号表示可替代。

⑵埋弧焊丝与焊剂的匹配选择。低碳钢埋弧焊时焊丝和焊剂的配套选择见表3。

表3 低碳钢埋弧焊丝与焊剂的匹配选择

钢号

焊丝

通量

Q234

H08A

HJ430

HJ431

Q255

H08A

Q275

H08MnA

15, 20

H08A、H08MnA

HJ430

HJ431

HJ330

25

H08MnA、H10Mn2

20克、22克

H08MnA、H08MnSi、h10Mn2

20R

H08MnA

⑶CO2焊丝的选择。实心焊丝的两个牌号是H08Mn2Si和H08Mn2SiA。焊接后熔敷金属的强度较高。药芯焊丝选用牌号为YJ502-1、YJ506-2、YJ506-3、YJ506-4。

⑷ 匹配电渣焊丝和焊剂。电渣焊的熔池温度比埋弧焊低，因此焊剂中硅、锰的还原作用较弱。应选择含锰、硅含量较高的焊丝。常用H10Mn2、H10MnSi焊丝和焊剂HJ360或H10MnSi焊丝和焊剂HJ431。

6 低碳钢如何低温焊接？

在严冬条件下焊接低碳钢结构时，由于焊接接头冷却速度过快，裂纹倾向增大。特别是厚结构的第一道焊缝容易产生裂纹。为此，必须采取以下工艺措施：

1）焊前预热，焊接过程中严格保持层间温度不低于预热温度。

2）采用低氢或超低氢焊接材料。

3）定位焊时，增大焊接电流，减慢焊接速度，适当增大定位焊缝的截面积和长度，必要时进行预热。

4）整个焊缝应尽量连续焊接，避免间断。

5）除坡口面外不得在母材上引弧，灭弧时必须填满电弧坑。

6）尽量不要在低温条件下弯曲板材、矫直和组装焊件。

各种金属结构低温焊接预热温度见表4。管道、压力容器低温焊接预热温度见表5。

表4 低碳钢金属结构低温焊接预热温度

焊件厚度（mm）

各种温度下的预热温度

<30

31～50

51～70

不低于-30℃时无需预热；低于-30℃时预热100~150℃

不低于-10℃时无需预热；低于-10℃时预热100~150℃

不低于0℃时无需预热；低于0℃时预热100~150℃

表5 低碳钢管和压力容器低温焊接预热温度

焊件厚度（mm）

各种温度下的预热温度

<16

17～30

31～40

41～50

不低于-30℃时无需预热；低于-30℃时预热100~150℃

不低于-20℃时无需预热；低于-20℃时预热100~150℃

不低于-10℃时无需预热；低于-10℃时预热100~150℃

不低于0℃时无需预热；低于0℃时预热100~150℃