低碳钢的焊接性与焊接缺陷分析
作者 :  张国政

  摘 要:低碳钢由于含碳量较低,焊接性较好,在焊接生产上得到了广泛的应用。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
   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[1]。
  1 低碳钢的焊接性
  1.1 焊接方法
   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[2]。
  1.2 焊接材料
   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。
  1.3 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,因此焊接时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。
   上述措施可单独使用,有时需要综合使用。
  2 焊接缺陷与预防措施
  2.1 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。
  2.2 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。
  2.3 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。
  3 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:
  [1] 邱葭菲.焊接方法与设备[M].北京:化学工业出版社,2008.
  [2] 李军、沈宏谋 变频外转子电机硅钢片铁心与低碳钢的焊接工艺[J].微特电机,2001(29):47~47.
  [3] 郭俊成.渗硫低碳钢的焊接[J].中氮肥,1994(6):54~56.
  [4] 徐卫东.焊接检验与质量管理[N].机械工业出版社,2008.

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