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        低碳鋼的焊接特點(diǎn)及工藝分析

        2018-09-10 17:20:07欒豐飛隋旭日
        大東方 2018年6期
        關(guān)鍵詞:工藝分析低碳鋼

        欒豐飛 隋旭日

        摘 要:低碳鋼的碳含量較低,合金元素錳和硅的含量亦不高??偟膩?lái)說(shuō),其焊接性良好,不會(huì)因焊接熱周期的快速冷卻,引起淬硬而使組織脆化。本文分析了低碳鋼的焊接性和常見(jiàn)焊接缺陷,并針對(duì)各種焊接缺陷提出了預(yù)防措施。

        關(guān)鍵詞:低碳鋼;焊接性;工藝分析

        低碳鋼由于含碳量較低,焊接性較好,在焊接生產(chǎn)上得到了廣泛的應(yīng)用。因此,在焊接板厚小于70mm的焊件時(shí),焊前不需預(yù)熱,不必嚴(yán)格保持層間溫度。除了鍋爐、壓力容器等重要的焊接結(jié)構(gòu)外,焊后不必作消除應(yīng)力處理,整個(gè)焊接過(guò)程不必采取特殊的工藝措施,焊接性能優(yōu)良。當(dāng)采用高熱輸入焊接法焊接低碳鋼時(shí),也會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題。

        一、關(guān)于低碳鋼的焊接性分析

        1.1 焊接方法選擇

        低碳鋼焊接性好,幾乎可以選擇所有的焊接方法,并能保證焊接接頭的良好質(zhì)量,例如氧乙炔、焊條電弧焊、埋弧焊、氬弧焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊、電渣焊、等離子弧焊、電阻焊、摩擦焊和釬焊等。近年來(lái)新開(kāi)發(fā)的一些高效、高質(zhì)量的焊接方法和焊接工藝也在低碳鋼焊接中得到了廣泛應(yīng)用,例如高效率鐵粉焊條和重力焊條電弧焊、氬弧焊封底-快速焊劑埋弧焊、窄間隙埋弧焊、藥芯焊絲氣體保護(hù)焊等。

        1.2 焊接材料選擇

        低碳鋼焊接時(shí)選擇材料應(yīng)遵循等強(qiáng)度匹配的原則,也就是根據(jù)母材強(qiáng)度等級(jí)及工作條件來(lái)選擇焊接材料。低碳鋼結(jié)構(gòu)通常使用抗拉強(qiáng)度平均值為420MPa的鋼材,而E43xx系列焊條熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度不低于420MPa,在力學(xué)性能上正好與之相互匹配。這一系列焊條有多種型號(hào),可根據(jù)具體情況選用。

        二、低碳鋼施焊工藝要點(diǎn)

        低碳鋼焊接時(shí)一般不需要特殊的工藝措施,但在工件厚度較大或環(huán)境溫度較低(T≤0℃)時(shí),會(huì)因冷卻速度加快而導(dǎo)致接頭裂紋傾向增加,例如在焊接直徑大于3000mm且壁厚不小于50mm的結(jié)構(gòu),焊接壁厚不小于90mm的第一道焊道,受壓容器壁厚不小于20mm時(shí)的焊縫等均有可能產(chǎn)生裂紋,因此焊接時(shí)應(yīng)采取如下工藝措施:

        1)焊前預(yù)熱,焊接時(shí)保持道間溫度。預(yù)熱溫度根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)確定,不同產(chǎn)品的預(yù)熱溫度有所不同。

        2)采用低氫或超低氫型焊接材料。

        3)連續(xù)施焊整條焊縫,避免中斷。

        4)在坡口內(nèi)引弧,避免擦傷母材,注意息弧時(shí)填滿弧坑。

        5)不在低溫下進(jìn)行成形、矯正和裝配。

        6)盡可能改善嚴(yán)寒的勞動(dòng)條件。

        上述措施可單獨(dú)使用,有時(shí)需要綜合使用。

        三、焊接缺陷與預(yù)防措施

        (1)焊縫金屬的熱裂紋問(wèn)題

        在直邊對(duì)接接頭的單面或雙面埋弧焊中,當(dāng)母材的w(C)超過(guò)0.20%,w(S)大于0.03%,且板厚大于16mm時(shí),往往會(huì)在焊縫的中心線形成熱裂紋。當(dāng)母材的偏析現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí),也可能在枝晶間形成人字形裂紋。這些裂紋形成的原因是,在直邊對(duì)接接頭焊接時(shí),母材在焊縫中所占的比率較大(約70%),使焊縫金屬中的碳、硫、磷含量超過(guò)了產(chǎn)生熱裂紋的臨界值,如焊縫成形系數(shù)小于1.3就會(huì)導(dǎo)致焊縫金屬形成熱裂紋。

        為防止這種熱裂紋的形成,一是可選用碳含量較低的焊絲;二是調(diào)整焊接參數(shù),以改善焊縫的成形。如采取這兩種措施均未湊效,則必須修改焊接工藝,在接縫邊緣開(kāi)一定深度的V形或U形坡口,減少母材在焊縫中的混合比,從而降低焊縫中的碳、硫含量。

        (2)液化裂紋問(wèn)題

        液化裂紋多半出現(xiàn)于以高熱輸入量焊接的直邊對(duì)接焊接接頭中,裂紋部位總是在焊縫的熔合區(qū)。這種液化裂紋的尺寸很小,有的甚至只有幾個(gè)晶粒的長(zhǎng)度,不易被發(fā)現(xiàn),但經(jīng)常導(dǎo)致焊接產(chǎn)品試板彎曲,試樣冷彎不合格。在分析液化裂紋的成因時(shí)發(fā)現(xiàn),雖然所焊母材的碳、硫等含量均在鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍之內(nèi),但因冶煉質(zhì)量低劣,存在明顯的偏析帶,使硫、磷等有害雜質(zhì)含量局部偏高;當(dāng)以高熱輸入焊接時(shí),焊縫熔合區(qū)在高溫停留的時(shí)間較長(zhǎng),如焊接應(yīng)變速率高于晶體變形能力的增長(zhǎng)速度,就會(huì)產(chǎn)生液化裂紋;但弧焊熱周期高溫段的時(shí)間較短,限制了液化裂紋的擴(kuò)展,如不仔細(xì)檢查,則很難發(fā)現(xiàn)這種裂紋。

        為消除這種液化裂紋,首先可適當(dāng)降低焊接熱輸入,加快焊接速度,以縮短焊縫在高溫停留的時(shí)間;但熱輸入量的降低可能會(huì)引起未焊透。因此,當(dāng)熱輸入降低至容許的最低值而仍未消除液化裂紋時(shí),則必須采取第二種辦法,即將直邊對(duì)接改成V形坡口對(duì)接,并將單層焊改為多層焊。這樣,雖然降低了焊接效率,但避免了液化裂紋,保證了焊縫的質(zhì)量。

        (3)層狀撕裂問(wèn)題

        在焊接厚度大于60mm的碳鋼厚板接頭時(shí),如鋼材的冶煉質(zhì)量較差,存在較多的非金屬夾雜物,則在焊接應(yīng)力較高的接頭中,在焊接熱影響區(qū)或靠近熱影響區(qū)部位,有時(shí)會(huì)形成層狀撕裂,并向平行于鋼板軋制方向擴(kuò)展。層狀撕裂在角接和對(duì)接接頭中均可能產(chǎn)生。這種裂紋通常在接頭冷卻至200℃溫度以下,受較高的焊接應(yīng)力的作用而產(chǎn)生。因此,層狀撕裂是焊接冷裂紋的一種特殊形式。層狀撕裂主要是由于鋼板夾層中,存在非金屬夾雜物,在鋼板厚度方向焊接拉應(yīng)力的作用下,使其與基體剝離,形成層狀撕裂斑點(diǎn)。當(dāng)這些斑點(diǎn)長(zhǎng)大到一定尺寸時(shí),則以脆斷的形式擴(kuò)展,再合并成宏觀裂紋。避免層狀撕裂最基本的方法,是選擇保證厚度方向性能的鋼材。其次是從焊接工藝上采取相應(yīng)措施,例如,對(duì)焊件進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)熱;降低焊接熱輸入量和減小焊縫尺寸;降低焊接收縮應(yīng)力等。對(duì)于鋼板分層嚴(yán)重的焊件,一種有效的解決辦法是在坡口表面做一定厚度的預(yù)堆焊。

        結(jié)束語(yǔ)

        綜上所述,低碳鋼是目前工業(yè)用鋼中焊接性最好的鋼種,幾乎所有的焊接方法都可以用來(lái)焊接低碳鋼。當(dāng)采用高熱輸入焊接法焊接低碳鋼時(shí),要采取相應(yīng)措施,保證焊縫質(zhì)量。

        參考文獻(xiàn)

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        [4]許正功,陳宗帖,黃龍發(fā).表面形變強(qiáng)化技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].裝備制造技術(shù),2015(04).

        (作者單位:中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司)

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