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【焊接技術】為什麼高碳鋼比較難焊?

低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼怎麼區分?

在深入了解高碳鋼的銲接性之前,我們應該先認識不同碳量的鋼種之間如何區分,在低碳、中碳、高碳鋼之間有什麼不同的特性及運用。

低碳鋼

所有鋼種中,最大產量便是低碳鋼。其含碳量通常少於0.25wt%,因此對於形成麻田散鐵的熱處理是無反應的,其鋼材的強化主要是靠冷加工來完成,而顯微結構包括肥粒鐵和波來鐵。而低碳鋼易於加工,常用如鍛造,焊接和切削,常用於製造鏈條、鉚釘、螺栓、軸等。

中碳鋼

中碳鋼其碳濃度約介於0.25wt﹪至0.60wt%之間。這些鋼材可藉著沃斯田鐵化,淬火然後回火等熱處理改善機械其性質。它們最常以回火狀態使用,其顯微結構是回火麻田散鐵。代表性的鋼材為添加鉻、鎳、鉬等元素的合金鋼,鉻、鎳和鉬的添加可改善這些合金熱處理的能力,使其可獲得強度及延展性極佳的組合。這些熱處理合金鋼比低碳鋼強度高,但會犧牲延展性和韌性。此類鋼材應用包括鐵路車輪、軌道、齒輪、曲柄軸和其它切削零件以及要求高強度、耐磨耗和高韌性的結構零件上,常用於製造重壓鍛件、車軸、鋼軌等。

高碳鐵

高碳鋼是指通常具有碳含量介於0.6wt﹪至1.4wt%之間的鋼材,是碳鋼中最硬最強,而延展性最低者,其中以模具鋼為代表。它們幾乎總是以硬化和回火狀況使用,如此特別是在耐磨耗的工件上使用,通常含有鉻、釩、鎢和鉬合金。這些合金元素易與碳結合形成很硬和耐磨耗碳化物之化合物。如鎚、撬、棍等由含碳量0.75%的鋼製造;切削工具如鑽頭、絲攻、鉸刀等由含碳量0.90%至1.00%的鋼製造。高碳鋼比中碳鋼具有更大的淬硬傾向,並形成高碳馬氏體,對冷裂紋的形成更為敏感。同時,焊接熱影響區內形成的馬氏體組織,性能硬而脆,導致接頭的塑性和韌性大大下降,因此高碳鋼的焊接性相當差,必須採取特殊的焊接工藝,才能保證接頭的性能。

因此,在焊接結構中一般很少採用高碳鋼。高碳鋼主要用於要求高硬度和耐磨性的機器零部件,如轉軸、大型齒輪和聯軸器等。為節省鋼材,簡化加工工藝,這些機器零部件也往往採用焊接結構組合而成。在重型機器製造中,也會碰到高碳鋼部件的焊接問題。在制定高碳鋼焊件的焊接工藝時,應全面分析可能產生的各種焊接缺陷,並採取相應的焊接工藝措施。

高碳鋼的焊接性

a.焊接方法

高碳鋼主要用於高硬度和高耐磨性的結構,所以主要的焊接方法是焊條電弧焊、釺焊和埋弧焊。

b. 焊接材料

高碳鋼焊接一般不要求接頭與母材等強度。焊條電弧焊時一般選用去硫能力強、熔敷金屬擴散氫含量低、韌性較好的低氫型焊條。在要求焊縫金屬與母材等強度時,應選用相應級別的低氫型焊條;在不要求焊縫金屬與母材等強度時,應選用強度級別低於母材的低氫型焊條,切記不能選擇強度級別比母材高的焊條。如果焊接時母材不允許預熱,為了防止熱影響區冷裂紋,可選用奧氏體不銹鋼焊條,以獲得塑性好、抗裂紋能力強的奧氏體組織。

c .坡口製備

為了限制焊縫金屬中碳的品質分數,應減少熔合比,所以焊接時一般採用U型或V型坡口,並注意將坡口及坡口兩側20mm範圍內的油污、鐵銹等處理乾淨。

d.預熱

採用結構鋼焊條焊接時,焊前必須預熱,預熱溫度控制在250℃~350℃。

e.層間處理

多層多道焊時,第一道焊採用小直徑焊條,小電流焊接。一般將工件置於半立焊或使用焊條橫向擺動,以使整個母材熱影響區都在短時間內受熱,以獲得預熱和保溫效果。

f.焊後熱處理

焊後立即將工件放入加熱爐中,在650℃進行保溫進行消除應力退火。

高碳鋼的焊接缺陷及防止措施

由於高碳鋼淬硬傾向很大,在焊接時容易出現熱裂紋和冷裂紋。

a.熱裂紋的防止措施

  • 控制焊縫的化學成分,嚴格控制硫、磷的含量,適當提高含錳量,以改善焊縫組織,減少偏析。
  • 控制焊縫斷面形狀,寬深比要稍大些,以避免焊縫中心的偏析。
  • 對剛性大的焊件,應選擇合適的焊接參數、合適的焊接次序和方向。
  • 必要時採取預熱和緩冷措施,來防止熱裂紋的產生。
  • 提高焊條或焊劑的鹼度,以降低焊縫中的雜質含量,改善偏析程度。

b. 冷裂紋的防止措施

  • 焊接前預熱和焊後緩冷,不僅可以降低熱影響區的硬度和脆性,而且還可以加速焊縫中的氫向外擴散。
  • 選擇合適的焊接措施。
  • 採用合適的裝配和焊接順序,減小焊接接頭的拘束應力,改善焊件的應力狀態。
  • 選擇合適的焊接材料,焊前要烘乾焊條、焊劑,並做到隨取隨用。
  • 焊前應仔細清除坡口周圍基本金屬表面的水、鏽等汙物,以降低焊縫中擴散氫的含量。
  • 焊前應立即進行去氫處理,使氫從焊接接頭中充分逸出。
  • 焊後應立即進行消除應力的退火處理,促使焊縫中的氫向外擴散