高碳钢是指w(C)高于0.6%的碳钢,它比中碳钢具有更大的淬硬倾向,并形成高碳马氏体,对冷裂纹的形成更为敏感。同时,焊接热影响区内形成的马氏体组织,性能硬而脆,导致接头的塑性和韧性大大下降,因此高碳钢的焊接性相当差,必须采取特殊的焊接工艺,才能保证接头的性能。因此,在焊接结构中,一般很少采用。高碳钢主要用于要求高硬度和耐磨性的机器零部件,如转轴、大型齿轮和联轴器等[1]。为节省钢材,简化加工工艺,这些机器零部件也往往采用焊接结构组合而成。在重型机器制造中,也会碰到高碳钢部件的焊接问题。在制定高碳钢焊件的焊接工艺时,应全面分析可能产生的各种焊接缺陷,并采取相应的焊接工艺措施。

1 高碳钢的焊接性

1.1 焊接方法

高碳钢主要用于高硬度和高耐磨性的结构,所以主要的焊接方法是焊条电弧焊、钎焊和埋弧焊。

1.2 焊接材料

高碳钢焊接一般不要求接头与母材等强度。焊条电弧焊时一般选用去硫能力强、熔敷金属扩散氢含量低、韧性较好的低氢型焊条。在要求焊缝金属与母材等强度时,应选用相应级别的低氢型焊条;在不要求焊缝金属与母材等强度时,应选用强度级别低于母材的低氢型焊条,切记不能选择强度级别比母材高的焊条。如果焊接时母材不允许预热,为了防止热影响区冷裂纹,可选用奥氏体不锈钢焊条,以获得塑性好、抗裂纹能力强的奥氏体组织。

1.3 坡口制备

为了限制焊缝金属中碳的质量分数,应减少熔合比,所以焊接时一般采用U型或V型坡口,并注意将坡口及坡口两侧20mm范围内的油污、铁锈等处理干净。

1.4 预热

采用结构钢焊条焊接时,焊前必须预热,预热温度控制在250℃～350℃。

1.5 层间处理

多层多道焊时,第一道焊采用小直径焊条,小电流焊接。一般将工件置于半立焊或使用焊条横向摆动,以使整个母材热影响区都在短时间内受热,以获得预热和保温效果。

1.6 焊后热处理

焊后立即将工件放入加热炉中,在650℃进行保温进行消除应力退火[3]。

2 高碳钢的焊接缺陷及防止措施

由于高碳钢淬硬倾向很大,在焊接时容易出现热裂纹和冷裂纹。

2.1 热裂纹的防止措施

1)控制焊缝的化学成分,严格控制硫、磷的含量,适当提高含锰量,以改善焊缝组织,减少偏析。

2)控制焊缝断面形状,宽深比要稍大些,以避免焊缝中心的偏析。

3)对刚性大的焊件,应选择合适的焊接参数、合适的焊接次序和方向。

4)必要时采取预热和缓冷措施,来防止热裂纹的产生。

5)提高焊条或焊剂的碱度,以降低焊缝中的杂质含量,改善偏析程度。

2.2 冷裂纹的防止措施[4]

1)焊接前预热和焊后缓冷,不仅可以降低热影响区的硬度和脆性,而且还可以加速焊缝中的氢向外扩散。

2)选择合适的焊接措施。

3)采用合适的装配和焊接顺序,减小焊接接头的拘束应力,改善焊件的应力状态。

4)选择合适的焊接材料,焊前要烘干焊条、焊剂,并做到随取随用。

5)焊前应仔细清除坡口周围基本金属表面的水、锈等污物,以降低焊缝中扩散氢的含量。

6)焊前应立即进行去氢处理,使氢从焊接接头中充分逸出。

7)焊后应立即进行消除应力的退火处理,促使焊缝中的氢向外扩散。

3 结束语

高碳钢由于含碳量较高,淬硬性较大而焊接性较差,焊接时容易产生高碳马氏体组织,容易产生焊接裂纹,因此在高碳钢焊接时,要合理选择焊接工艺,并及时采取相应措施,减少焊接裂纹的出现,提高焊接接头性能。