低碳钢的焊接特点及工艺探究

孙建艺 陈忠旭 王晓刚

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266000

摘要：低碳钢在生产制造中广泛使用，其结构与成分特点为含碳量低，锰和硅的含量少，在进行焊接时不容易发生组织硬化、淬火，具有良好的冲击韧性与塑性。本文对低碳钢的焊接特点以及焊接工艺进行了分析介绍

关键词：低碳钢；焊接特点；焊接工艺

引言：低碳钢一般轧成工字钢、钢管以及钢板等制造建筑构件，也用于制造压力容器、锅炉等大型器件，应用范围很大。低碳钢的焊接需要注意焊接线能量、温度等，并根据低碳钢制造构件不同，选择合适的焊接工艺，以此提高焊接效果，保证低碳钢的性能。

一、低碳钢

低碳钢为碳素钢，其含碳量＜0.25%，具有硬度低、强度低、塑性及韧性好特点，也称“软钢”^[1]。低碳钢的焊接性良好，便于应用冷塑变形成型工艺。

二、低碳钢焊接特点

低碳钢由于含碳量低，同时锰和硅的含量也比较少，因此在焊接时不容易出现硬化组织、淬火组织。同时，低碳钢接头焊接时通常不需要预热、控制层间温度和后热，焊接完成后也不需要通过热处理对低碳钢组织进行处理，因为低碳钢焊接后接头有良好的冲击韧性与塑性。低碳钢的焊接过程采用工艺简单、常见，不需要特殊工艺，焊接性非常好^[2]。

但是，低碳钢焊接时，少数情况下会影响焊接性。第一，低碳钢制造选择旧冶炼方式，低碳钢中含氮量高、杂质多，增加了低碳钢的冷脆性，焊接接头质量差、焊接性差。第二，低碳钢脱氧不完全导致含氧量高，杂质不均匀分布，布局杂质含量超标，时效敏感性、冷脆性加大，有热裂纹倾向。第三，低碳钢焊接时使用不合格焊条，导致焊缝金属中含碳量、含硫量过高，易产生裂纹。例如对Q235-A钢进行焊接时，使用酸性焊条焊接，因为焊条药皮中锰铁含碳量过高，容易造成焊缝热裂纹。

三、低碳钢焊接工艺

低碳钢焊接工艺多种多样，适用于不同低碳钢生产设备，需根据实际情况与焊接需求选择合适的焊接工艺，保证低碳钢焊接质量。低碳钢焊接工艺常见的有焊条电弧焊工艺、多头MIG焊工艺、TIG焊封底背面成形工艺^[3]。

（一）焊条电弧焊工艺

焊条电弧焊工艺在低碳钢焊接中应用十分广泛，是一种基本焊接工艺，焊接工艺应用特点是操作方便、焊接灵活、焊接设备简单。对低碳钢进行焊接时，作为普通构造焊接时可使用E43系统焊条，E4303焊条应用较多。低碳钢如果作为动载荷、复杂厚板构造时，焊条电弧焊一般使用E4315、E5015焊条。焊条电弧焊工艺应用于低碳钢焊接时，首先需要做好焊接前准备，根据焊接工艺选择坡口形式，将坡口开好后需对坡口、焊件对接面等处的油污、锈蚀等进行彻底清理，预防焊接缺陷出现。同时需要对焊条进行检查，焊条表面需要清洁，没有污物。如果低碳钢的焊接环境温度低于0℃，需要进行预热，预热温度为100-150℃。焊件较厚时也需要预热^[4]。其次，应用焊条电弧焊工艺时，需要对焊接参数进行调整。焊条电弧焊可以进行平焊、立焊、仰焊以及横焊。对焊接电流进行调整时需考虑焊条直径、焊缝所处位置，同时要考虑焊件厚度、低碳钢接头类型等。对电弧电压的调整，主要决定因素为电弧长度，电弧长度需适中，电弧稳定燃烧，避免未焊透、外观成型不良等。焊接速度的掌握需保证焊透、良好融合，同时不能焊穿。例如，应用焊条电弧焊工艺对较厚低碳钢构件进行焊接时，一般需采取多层焊方式，进行第一层焊接时，需选择较小焊接电流，应用3.2mm焊条，焊层厚度控制在5mm内。进行焊接操作时，盖面层的焊缝宽度与高度需要符合规定。

（二）TIG焊封底背面成形工艺

TIG焊封底背面成形工艺应用于低碳钢的焊接，适用于无法完成两面焊接、必须焊透的管道、受压容器等。对低碳钢进行焊接时，低碳钢构件根部需要熔化，在构件背面形成焊缝。部分情况下不要求低碳钢背面成形，但是根部必须焊透。TIG焊封底背面成形工艺的焊接方法：使用直径2.5mm、伸出长度3-5mm的铈钨极。不需要预热焊缝，将层间温度保持在150℃一下，采用喷嘴加拖罩方法进行焊接。焊接前，管内空气需要由氩气进行置换，然后进行焊接。焊接过程中应用高频引弧，焊枪需与低碳钢焊件垂直，对熔池的大小进行精准控制。保证喷嘴氩气对熔池有很好地保护，避免其被氧化^[5]。焊接时速度要快、焊接电流要小，使得热输入降低，避免热量集中在局部而发生热裂纹。焊接过程中焊枪不能停止不动，同时也不能对熔池进行搅拌。对低碳钢进行焊接时，钨极端与焊件之间需保持2mm距离，焊丝顺着坡口、沿着管子切点，到达熔池前端。焊丝熔化后停顿一下，然后均匀、断续送入熔池，向前端进行焊接。焊材的端部在焊接期间需要一直在保护气中，避免氧化。焊接过程中填丝时，焊丝与钨极不能直接接触，焊丝也不能深入电弧的弧柱区，以免对电弧稳定造成破坏，容易产生焊缝夹钨。在焊接管子对接固定焊缝时，打底时填丝于仰焊位置，或者在立焊或者平焊部位外填丝，可以避免仰焊内部焊缝内凹。

（三）多头MIG焊工艺

多头MIG焊工艺的在对低碳钢进行焊接时，使用的保护气为随性气体，焊接工艺原理为将焊丝当作一种熔化电极，从而进行电弧焊。保护气常用氦气、氩气以及氦气和氩气的混合气体。氩气可以保证焊接时电弧燃烧稳定，电弧力大，但是形成“指状”焊缝的概率高。氦气作用与氩气类似，相比于氩气形成的电离电压高，热导率高，会获得更高的电弧功率。氦气密度低于空气，容易发生保护不良。进行多头MIG焊工艺时，将金属丝对钨电极进行替代，其他方面与TIG焊相同。对低碳钢进行焊接时，电弧将焊丝熔化后，送入焊接区。在电力驱动辊作用下将焊丝根据焊接所需经线轴送入焊炬。多头MIG焊工艺在低碳钢焊接中具有焊接质量好、适用范围广、焊接生产率高等特点。多头MIG焊工艺在低碳钢焊接中应用的不足，主要是无脱氧去氢作用，对母材以及焊丝上的油、锈等有比较高的敏感性^[6]。多头MIG焊工艺的抗风能力比较差，工艺设备也比较复杂。多头MIG焊接设备的电源通常应用直流反接。自动焊以便使用直径＞3mm的焊丝，半自动焊时通常使用直径＜2.5mm的焊丝。多头MIG焊工艺所用的焊枪包括自动与半自动两种，分水冷与气冷形式。多头MIG焊工艺中具有供气与供水系统，其中供水系统主要对焊枪起到冷却作用，避免烧损。

四、低碳钢焊接注意事项

低碳钢焊接时需要注意以下两点：第一，在焊接时如果焊接线能量过大，会对热影响区粗晶区的晶粒粗大，可能出现魏氏组织，降低该区的冲击韧性、弯曲性能等。因此，在进行焊接时需要严格依照焊接工艺对焊接线能量进行评定。第二，焊接现场为低温环境时，对较大厚度与刚性较大的低碳钢焊缝进行焊接时，焊接接头较快速度冷却，容易出现冷裂纹倾向。因此，在低温环境下进行低碳钢焊接时，需要进行焊前预热。

五、结论

综上所述，低碳钢焊接特点突出，焊接工艺有很多种，需根据实际应用、低碳钢构件类型等，选择合适焊接工艺。

参考文献：

[1]钟世杰. 中厚板低碳钢激光深熔焊接工艺及气孔形成机理研究[D].广东工业大学,2021.

[2]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.

[3]谭峰亮,封举宁,李光辉,林启权,邓显贤.激光焊接工艺参数对低碳钢焊缝形状的影响[J].内蒙古科技与经济,2019(19):80-82.

[4]欧阳凯. 中厚板低碳钢的K-TIG焊接工艺及性能研究[D].中国石油大学(华东),2019.

[5]元宝峰.关于低碳钢与低合金钢焊接工艺的探究[J].山东工业技术,2019(07):21.

[6]贾爱华.低碳钢板焊接技术研究及应用[J].现代制造技术与装备,2018(08):142+145.