低碳钢的焊接

低碳钢的焊接

一、低碳钢概述

特种设备用碳钢材料，主要限于低碳钢，含碳量小于0.3%，该类钢常见的钢板牌号主要有Q235系列、0245R，钢管牌号有10、20，管线用钢有L175、L215等。

低碳钢的含碳量低，合金元素如锰、硅含量少，不会因焊接而产生严重硬化组织。这种钢材本身塑韧性优良，焊成的接头塑性和冲击韧性也很好。焊接时，一般不需预热、控制层间温度和后热，焊后也不必采用热处理改善组织，即整个焊接过程中不需要采取特殊的工艺措施便可得到优质的焊接接头。

但在少数情况下，低碳钢的焊接性也会不好，焊接时出现困难。如采用旧冶炼方法生产的转炉钢，其钢中含氮及其他杂质多，钢的冷脆性、时效敏感性都大，焊接性能差;沸腾钢脱氧不完全，钢中氧含量高，硫磷等杂质分布很不均匀，使钢材焊接时冷脆敏感性和热裂纹倾向都大;或钢材化学成分虽合格，但恰逢成分都偏上限，焊接时也易出问题;对于大厚板或刚性较大的结构件焊接，在低温条件下焊接易产生裂纹;埋弧焊时，如果焊接热输入过大，会使焊接热影响区的粗晶区晶粒过于粗大，甚至会产生魏氏组织，从而使该区的冲击韧性和弯曲性能降低，导致冲击韧性和弯曲性能试验指标不合格。这些特殊情况只要认真分析原因，采取相应措施，问题还是容易解决的。

总之，低碳钢是最容易焊接的钢种，目前焊条电弧焊、埋弧焊、电渣焊、二氧化碳气保焊、钨极氩弧焊、气焊等都是焊接低碳钢的成熟方法。电渣焊焊后一般要求对焊接接头进行正火+回火处理，以改善焊缝及热影响区组织和提高韧性。

二、低碳钢的焊材选用

低碳钢焊材一般根据焊缝金属与母材同等强度的原则进行选择。各种焊材用于承压设备时，订货技术条件还需满足NB/T 47018。

（一）焊条选用

低碳钢焊条选用∶一是根据焊缝金属强度与母材同等强度的原则选用焊条;二是根据接头形式、板厚和焊接位置等选择焊条。随着母材厚度的增大，焊接接头的冷却速度加快，促使焊缝金属硬化，接头内残余应力增大，因此当厚度增大时，在同等强度等级中应选用抗裂性能好的焊条，如低氢型焊条等。

焊接接头形式或焊接位置的不同，焊条的选用也有所不同。平板对接焊或角焊缝船形焊时，可参照板厚选用焊条;平角焊时，可根据焊脚尺寸来选用焊条，若焊脚的尺寸较大，应选用抗裂性能较好、焊条直径较大的焊条;立、横、仰焊焊接位置时，应选用金位置焊接适用性较好、焊条直径较小的焊条;向下立焊时，应选用专用的向下立焊条;当背面不能进行焊接而又需打底焊时，最好选用专用的底层焊条。

低碳钢焊条标准有GB/T5117—2012《非合金钢及细晶粒钢焊条》中E43××系列的焊条，E43××系列的焊条熔敷金属的抗拉强度国家标准是不小于420MPa，NB/T47018.2—2011规定了上限是540MPa，其强度等级与低碳钢相配。焊条的选用可参考本书第二章第二节及表4-1。

注∶焊条型号是引用GB/T5117—1995、GB/T5118—1995、GB/T983—1995中的型号，新旧标准的型号对比可参考第二章第二节。

（二）埋弧焊焊丝和焊剂选用

低碳钢埋弧焊时，由于母材中合金成分不多，故既可采用焊丝渗合金，也可采用焊剂渗合金。通过焊剂向焊缝中过渡锰，有利于改善焊缝的抗热裂纹能力和抗气孔性能，通过焊丝向焊缝过渡锰时，有利于提高焊缝的低温韧性。

1.焊丝

应选用与母材强度相匹配的焊丝，如H08A或 H08E焊丝即可满足强度要求。但对于大厚度的对接焊缝或焊缝金属要经超过上临界转变温度焊后热处理时，其埋弧焊焊丝应考虑选择H08MnA，甚至H10Mn₂焊丝。

2.焊剂

焊剂要和焊丝匹配选用，低碳钢埋弧焊一般选用实芯焊丝 H08A或 HO8E，它们与高锰高硅低氟的熔炼焊剂H431配合，应用较广。焊接时，焊剂中的MnO和SiO，在高温下与铁反应，锰与硅得以还原，过渡到焊接熔池。熔池冷却时，锰和硅既成为脱氧剂，使焊缝脱氧，同时又可有足够的数量留下来，成为合金剂，保证焊缝的力学性能。注意∶如果选用的焊剂为无锰、低锰或中锰型，则焊丝应选用H08MnA或其他合金钢焊丝（如H10Mn₂），以保证焊缝力学性能。

近年来，大力推广使用烧结焊剂，如SJ101，烧结焊剂的单价比熔炼焊剂高，但由于其密度轻，综合成本还是适宜的，且其工艺性能优良。

低碳钢埋弧焊用焊丝焊剂标准有GB/T5293—1999《埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂》，F4××-H×××系列抗拉强度是415～550MPa，NB/T 47018.2—2011中规定上限是535MPa，总之其强度等级与低碳钢相配。焊丝的选用可参考本书第二章第二节及表 4-1。

（三）气体保护焊焊丝及气体

首先要满足焊缝金属与母材同等强度，焊缝金属化学成分与母材的一致性则放在次要。当焊缝金属强度超过母材过多时，可能引起焊接接头塑性和韧性下降。

对于常用的CO₂气体保护焊，一般用HO8MnSi，但由于在实际应用中较难采购到该焊丝，故大多数还使用ER49-1（抗拉强度≥490MPa）。低碳钢氩弧焊时，经常选用H10Mn₂或H10MnSi焊丝，，使用HO8Mn₂SiA焊丝也可满足焊接要求，只是其焊缝金属强度较高，如选用 H08MnA焊丝进行氩弧焊时，则易产生焊接气孔。

碳钢实芯焊丝标准有CB/T 8110—2008《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》，CB/T 14957—1994《熔化焊用钢丝》。药芯焊丝标准有GB/T10045—2001《碳钢药芯焊丝》。保护气体按焊丝标准或焊丝厂家质保书提供的匹配气体选择，自保护药芯焊丝不需要保护气体。焊丝的选用具体可参考本书第二章第二节及表4-1。

三、低碳钢焊接工艺要点

1）由于低碳钢的塑性、冲击韧性都较好，含碳、锰、硅量又少，故焊接性能优良，一般情况下焊接时不需要预热及控制层间温度和后热，整个焊接过程不需采用特殊的工艺措施，焊后也不必进行热处理。

2）在冬天或类似的气温条件下焊接低碳钢时，焊接接头冷却速度较快，从而裂纹倾向增大，特别是焊接大厚度或大刚度结构件更是如此。其中，多层焊接的第一道焊缝开裂倾向要比其他焊道大。为避免裂纹，可以采取以下措施;①焊前预热，焊接过程中保持层间温度;②采用低氢或超低氢焊接材料;③定位焊时加大电流。减慢焊速，适当增大定位焊焊缝截面和长度，必要时施加预热;④整条焊缝连续焊完，尽量避免中断;⑤不在坡口以外的母材上打弧，熄弧时，弧坑要填满;⑥卷板、矫正和装配时，尽可能不在低温下进行;⑦尽可能改善严寒情况下的劳动生产条件。

以上措施可单独采用或综合采用，预热温度的高低见表4-2。

3）低碳钢埋弧焊时，为保证其接头的冲击韧性和冷弯性能，应适当控制热输入量，不宜采用大范围焊接，尽量使每道焊缝的厚度较薄。

4）氩弧焊打底焊时，背面不必进行氩气保护，即可获得满意的焊接接头质量。