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电焊工技师论文
（国家职业资格二级）

姓名 尚立军
单位 日照海事学院

2013年10月5日

碳素钢的焊接
姓名：尚立军
单位：日照海事学院

摘要：碳素钢是碳素结构钢与碳素工具钢的总称。碳钢与合金结构钢相比较具有冶炼简单、成本低廉，能满足一般工业使用要求的特点，在建筑、交通及机械工业中被广泛使用。然而，碳素结构钢随着含碳量的增加其焊接性变差。
在实际焊接生产中，经常要遇到各类钢种的焊接问题。由于不同钢种的化学成分、机械性能、使用场合及环境的不同，相应的焊接特点也不同。在焊接前，如果没有完整地了解这些钢种的焊接特点，便无法合理的选择相应的焊接材料及工艺，实现优质焊接的目的。本人参考有关文献结合自己多年经验，现对碳钢的焊接分析如下：
一、 碳钢的种类
碳钢品种较多，为便于生产、保管和选用，可将其分类和编号，碳钢的分类方法很多，但常用的有以下几种。
1、 按钢中碳的质量分数分类：
1） 低碳钢W(C)﹤0.25%
2） 中碳钢W(C)﹦0.25%～0.60%
3） 高碳钢W(C)﹤0.60%

2、 按钢的质量分类：
1) 普通碳素钢
钢中的硫和磷含量较多
W(S)≤0.050% W(P)≤0.045%
2）优质碳素钢
钢中的硫和磷含量较低
W(S)≤0.030% W(P)≤0.040%
3）高级优质碳素钢
钢中的硫和磷含量控制较严格
W(S)≤0.030% W(P)≤0.035%
3、 按用途分类
1） 碳素机构钢
主要用于制造各种工程构件及机械零件
这类钢中碳的质量分数一般＜0.7%
2） 碳素工具钢
主要用于制造各种刃具、模具、量具，
这类钢中碳的质量分数一般＞0.7%
实际应用中，对钢的命名往往是几种分类方法结合在一起使用。如优质碳素结构钢，高级优质碳素工具钢。
二、 钢的用途
08～25 钢属低碳钢
这类钢强度、硬度不高，但塑性、韧性及焊接性良好。主要用于制作冲压件，焊接结构极强度要求不高的机械零件和渗碳件。如深冲器件，压力容器，小抽。销子。
35～55 钢属中碳
这类钢经调制处理后具有良好的综合力学性能，可应用于机械制造业中受力较大的零件，如齿轮，轴，连杆等。这类钢是机械制造中广泛应用的材料。
60 以上属于高碳钢
这类钢经热处理后具有高的强度以、硬度和一、弹性，但焊接性不好。主要用于制造各类弹性元件及耐磨零件。如螺旋形弹簧、弹簧环和弹簧垫圈、钢丝绳等。
三、 碳钢和焊接性
焊接性是指在一定的工艺、材料、结构的情况下，金属材料对于焊接的适应性。并保证合乎质量要求的焊缝，以及能否在使用条件下安全使用的能力。
金属材料的焊接性好、坏主要取决于金属材料的化学成分、结构的复杂程度、刚性大小、焊接方法、焊接材料、焊接规范和所采用的焊接工艺方法。
钢材的焊接性可用碳当量法，即
Cep﹦C+Mn/6+Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15%
当碳当量Cep=0.40%时，钢材的焊接性良好。不需要预热即可焊接；碳当量Cep=0.40~0.60%时，焊接性稍差，需要适当的预热，才能焊接；碳当量Cep>0.60%时，钢材的焊接性不好，需要较高的预热温度和严格控制焊接工艺规程，且焊后还应进行缓慢冷却，否则可能产生裂纹。
由此可见，碳钢的焊接性与钢中含碳量的多少有极大的关系。含碳量越高，钢的焊接性越差。
1、 低碳钢的焊接性
低碳钢由于含碳量及合金元素较低，（C<0.25%,Mn<1.0%）强度不高，塑性好，具有优良的焊接性。低碳钢几乎能用各种工艺方法进行焊接，不需要采取特殊的工艺措施即可获取优质的焊接接头。
低碳钢焊缝产生裂纹，气孔的倾向小，只有当母材、焊接材料成分不合格，如C、S、P含量偏高时，焊缝中才可能产生热裂纹。
低碳钢的焊接通常不需要焊前预热，只有在环境温度较低或结构刚性过大时，才考虑预热条件。
低碳钢焊接不需要特殊复杂的设备，对焊接电源没有特殊的要求，交直流均可。
2、 中碳钢的焊接性
中碳钢与低碳钢相比较，焊接性能较差。随着含碳量的增加，焊接热影响区开始出现脆英马氏体。含碳量越高，马氏体的硬度和脆性越大，在接头中便容易出现热裂纹。当接头中含有较多的扩散氢时，以及焊件刚度较大和焊条选用不当时，很容易产生冷裂纹。
四、 碳钢的焊接材料与焊接工艺
几乎所有的焊接方法都可以焊接碳钢结构，且以手工焊、埋弧焊和CO2汽保焊使用最广，电渣焊主要用来焊接厚大件，钨及氩弧焊仅在薄板或打低焊时才使用。
1、 低碳钢的焊接材料及工艺
焊接材料可参考下表：
钢号
焊接方法
手工焊
埋弧焊
CO2焊
电渣焊
A3

A4
J421 J423
J422 J424
J426 J427
H08A
H08MnA
+
HJ431
HJ430
H08MnSi

H08Mn2Si

其中，一般碳钢结构可采用酸性焊条，承受动载或复杂的
厚壁结构及低温使用是采用碱性焊条。
2、 中高碳钢的焊接材料与工艺
1） 在选择焊接材料时，应从防止焊接裂纹的角度出发，焊接中高碳钢时，应选用杂质含量和扩散氢含量较低的碱性焊条，且根据具体的焊接要求和机械性能来选择相应的焊条牌号。在仅要求实现完整连接而不要求焊缝与母材等强度的场合，可采用含碳和强度均较低塑性较高的J426，J427等焊条，以减少接头刚性，防止焊接裂纹。在要求焊缝与母材等强度的情况下，则采用J507焊条。采用奥氏体不锈钢焊条（如A302，307）来焊接中高碳钢，目的在于利用奥氏体焊缝金属的塑性好，溶氢量大的特点，降低预热温度，甚至不预热也不产生焊接裂纹。
2） 焊接中高碳钢时，应采用严格的预热、后热措施，用降低焊接接头冷却速度的方法降低影响区最高强度和焊接应力，使焊缝扩散氢能充分逸出，防止焊接裂纹的出现。焊接预热的高低，取决于母材的碳当量、焊件厚度及采用的焊接材料，母材碳当量越高，预热温度也越高。如下表：
碳当量
Cep%
焊接性
要求焊缝与母材等强度时
不要求焊缝与母材等强度时
焊条
焊接工艺
焊条
焊接工艺
0.40~0.49
差
J506
J507
预热~150℃（后热650℃）
J426J427
预热~150℃（后热650℃）
A307
小电流浅熔深稍预热
0.50~0.59
极差
J556J557
J606J607

0.60~0.69
极差

0.70~0.79
极差

≧0.80
极差

预热时，最好采取整体预热方法。若无法实现，则可采用局部预热方法但预热区宽度应在工件厚度的5倍以上，否则，在预热不当时，会在焊件内产生过大的焊接应力，使接头开裂。多层焊时，焊道层间温度一般不低于焊件的预热温度。
焊接完毕，应立即回火处理，回火温度在600~650℃之间，保温时间按s/25（h）计算，其中S为母材板厚（mm）。如焊后不能马上进行回火处理，应在预热温度以上对焊件进行中间热处理，以降低焊接应力和焊缝扩散氢含量，防止出现焊接裂纹。
焊接中、碳钢时，应采用U型或V型坡口，以减少母材融化量，焊接操作上应做到小电流、低速焊，尤其在焊第一道焊缝时更应如此。焊接工艺上，可采用长焊缝分段跳焊，焊后锤焊缝等措施，以降低焊接应力。
因此，我认为只要掌握住以上几点内容，那么，对碳素钢的焊接问题也就迎刃而解了。