低碳钢的焊接性与焊接缺陷研究

 王峰   胡保华   逄淑峰

青岛中车四方轨道车辆有限公司 山东 青岛 266000

摘要： 低碳钢是一种碳含量较低的钢种，具有良好的焊接性能。在实际的焊接过程中会存在一定的缺陷和不足，这就需要针对低碳钢的焊接缺陷予以处理。因此，本文将针对低碳钢的焊接性与焊接缺陷展开研究。

关键词：低碳钢；焊接性；焊接缺陷

前言：低碳钢当中主要为普通类型的碳素结构钢，同时也包含了少量优质类型的结构钢。在实际的应用中多数都可以不通过热处理就能够直接使用的结构件。因此，低碳钢的焊接性能良好。而在实际的焊接过程中，低碳钢材料会在焊接过程中存在一些问题和不足，这就需要针对低碳钢在焊接中的缺陷予以分析和处理。

一、低碳钢的相关概念

（一）低碳钢的定义

低碳钢属于含碳量不足0.25%的碳素钢。低碳钢的强度以及硬度相对更低，同时质地较软，因此又称为软钢。部分低碳钢可以通过渗碳以及热处理，并应用到在耐磨标准较高的机械设备当中。低碳钢当中的退火组织包括铁素体、珠光体，具有良好的塑性以及韧性^[1]。所以，低碳钢的冷成形效果更优秀，可以通过卷边、折弯或者冲压等工艺完成冷成形。

（二）低碳钢的特性

低碳钢由于硬度不足，因此在应用中直接切削加工的效果并不理想，而通过正火处理能够有效提高低碳钢的切削加工效果。同时，低碳钢存在较为明显的时效倾向，一方面存在淬火的时效倾向，另一方面还存在形变的时效倾向。当钢材料在高温中逐渐冷却时，铁素体的碳、氮等元素将出现过饱和状态，进而逐渐缓慢形成铁的碳氮物，这种情况称为淬火时效。而低碳钢材料在不淬火的状态下也会出现时效现象。低碳钢在形变过程中会出现大量的位错现象，铁素体内碳、氮元素由于位错产生弹性交互，而这种碳、氮元素和位错线结合后的物质为岁柯氏气团，进而导致低碳钢的出现形变时效^[2]。

二、低碳钢的焊接性

（一）低碳钢的焊接方式

低碳钢具有良好的焊接性能，大部分焊接方法都可以应用，并在焊接过程中可以有效保证焊接接头位置的质量良好。在实际的焊接过程中可以和氧乙炔、电弧焊、埋弧焊、氢弧焊、等离子弧焊、电阻焊、钎焊等多种焊接工艺进行结合。在当前的焊接技术中，通过不断的开发和创新，也出现了很多更高效、高质量的焊接技术和焊接方式，而这些新型的焊接工艺在低碳钢材料的焊接工作中也发挥了十分重要的作用。例如在铁粉焊条焊接、重力焊条电弧焊接、窄间隙埋弧焊接以及药芯焊丝气体保护焊接等焊接技术中，低碳钢都可以保证具有良好的焊接性能^[3]。

（二）焊接材料选择

低碳钢材料在进行焊接时，应当根据等强度匹配的标准进行选择，是指在选择材料时，需要结合母材的强度标准及实际焊接过程中现场工作条件进行综合考虑，选择更加适合的焊接材料。低碳钢在进行焊接时，一般会选择抗拉强度约为420MPa的材料。而在大部分焊接材料中，E43xx标准的焊条材料多数符合低碳钢的焊接标准。其抗拉强度一般情况下均高于420MPa，而从力学角度分析，这一系列的焊接材料刚好和低碳钢材料相互匹配。因此大多数低碳钢可以选择E43xx系列的焊条，而这一标准的焊条型号较多，在实际的焊接过程中也可以根据实际情况选择另外更加合适的型号。

三、低碳钢的焊接缺陷以及处理方法

（一）焊缝金属出现热裂纹现象

在低碳钢材料的焊接过程中存在焊缝金属出现热裂纹现象。通过直边对接的方式进行焊接时，一般会选择单面或者双面的埋弧焊接工艺进行操作，而母材W（C）大于0.20%、w（s）超过0.03%、板厚超过16mm的情况下，就有可能在焊缝位置的中心线处造成热裂纹现象。而如果母材出现较为明显的偏析问题时，也有较高风险在枝晶间位置出现人字形的裂纹。而造成裂纹的原因通常是由于焊接后焊缝的熔敷金属中母材所占比例问题导致，例如通过直边对接进行焊接的过程中，如果母材在焊缝内占比例超过70%时就好导致焊缝金属当中碳、硫、磷等元素的含量超标，而当这些元素超过或达到热裂纹产生的临界点，就会在焊接缝金属上出现热裂纹^[4]。

而为了有效避免热裂纹在焊接过程中出现就提前进行有效的预防。首先，需要在焊接前选择合适的焊丝，选用含碳量相对偏低的焊丝，避免焊接过程中碳元素超标。其次，在实际焊接过程中合理的调整相关参数，提高焊缝成形的质量。而当以上方法还无法阻止热裂纹的出现时，则应当及时更换焊接方式，选择其他焊接工艺进行操作。例如可以在焊接缝的边缘位置开出一个V形或者U形的坡口，进而降低焊缝熔敷金属中母材所占的比例，直接减少焊接缝当中的碳、硫等元素的含量。

（二）液化裂纹问题

液化裂纹也是低碳钢材料在焊接过程中常见的缺陷。通常出现在直边对接焊接过程中，如果有较大的热输入，会导致焊接缝的熔合位置出现液化裂纹。而液化裂纹通常很小，部分裂纹的长度甚至仅仅为几个晶粒体大小，因此在实际的焊接过程中很难被发现，进而造成低碳钢材料的焊接产品出现试板弯曲，进行压力机冷弯实验时产生折裂或断裂。而液化裂纹出现的原因主要是由于杂质较高导致的。在实际的焊接中，母材碳、硫等元素的含量虽然符合低碳钢材料规定的标准之内，但是部分材料由于冶炼过程中出现质量问题，进而会导致材料中出现相对严重的偏析带现象，进而导致硫、磷等杂质在材料当中的含量超标。这种材料通过高热输入的形式进行焊接时，就会导致焊接缝的熔合位置在高温环境中过长时间的停留，会导致一部分有益元素烧损，使焊缝或热影响区脆化力学性能变差，进而造成焊接过程中应变速率大于变形增长速度，造成液化裂纹

^[5]。

而为了防止出现液化裂纹则需要予以针对性的预防。第一，在焊接过程中应当选择合适的热输入量，并提高焊接操作的速度，进一步减少焊接缝停留在高温环境当中的时间。但是这种情况会导致焊接缝出现未焊透的情况。这就需要通过第二种方法进行处理：把直边对接焊接调整为V形坡口对接，这种焊接工艺虽然增加了焊接操作流程，但是能够有效避免出现液化裂纹。

（三）层状撕裂问题

在焊接过程中，如果焊接的低碳钢厚度超过60mm；而低碳钢材料质量不足，有大量的非金属杂质时，就有可能出现层状撕裂，这种层状撕裂主要存在于热影响区或者靠近热影响区的位置，同时会向材料的平行方向扩展。层状撕裂通常是在角接以及对接接头等焊接操作中出现。当焊接点冷却到低于200℃时，由于焊接应力偏高就有几率产生层状撕裂。所以，层状撕裂属于低碳钢焊接中，较为特殊的冷裂纹现象。此外，层状撕裂通常是由于钢板夹层位置有大量非金属夹杂质导致，在焊接拉应力下，杂质会和基体剥离，进而出现层状撕裂斑点。

而预防层状撕裂的方法通常是使用标准合格的母材和填充材料。例如在实际的焊接过程中，选择Q235GJ-Z15、Z25、Z35等型号的材料。此外，还可以在焊接工艺方面予以优化。例如，焊接过程中进行预热;降低焊接收缩应力等。

结束语

综上所述，在我国的工业产品焊接生产领域中，低碳钢材料是焊接性能十分优良的材料之一，在实际的焊接过程中，低碳钢材料能够和大多数金属材料以及焊接技术工艺相契合，并能达到十分优异的焊接质量。而在焊接过程中应当根据低碳钢材料容易出现的各种问题进行有针对性的预防和处理，进一步提高焊接质量。

参考文献：

[1]钟世杰,魏昕,龚郡,汪永超.中厚板低碳钢激光深熔焊接气孔形成特征研究[J].应用激光,2021,41(04):697-703.DOI:10.14128/j.cnki.al.20214104.697.

[2]雷达,王海林,周彪,李贤,包爽.铝合金-低碳钢异种金属电阻点焊工艺研究[J].材料导报,2020,34(S2):1465-1468+1475.

[3]吴犇.不锈钢与低碳钢三丝共熔池焊接工艺及性能研究[J].国网技术学院学报,2020,23(05):28-32.

[4]廉杰,宁亮亮.紫铜与低碳钢异种金属材料焊接工艺分析[J].南方农机,2019,50(17):128.

[5]范伟,杜明.关于低碳钢的焊接性与焊接缺陷的分析[J].湖北农机化,2019(09):54.