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高碳鋼是指w(C)高于0.6%的碳鋼,它比中碳鋼具有更大的淬硬傾向,并形成高碳馬氏體,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,必須采取特殊的焊接工藝,才能保證接頭的性能。因此,在焊接結構中,一般很少采用。高碳鋼主要用于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[1]。為節省鋼材,簡化加工工藝,這些機器零部件也往往采用焊接結構組合而成。在重型機器制造中,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,并采取相應的焊接工藝措施。

一、 高碳鋼的焊接性

1.1 焊接方法

高碳鋼主要用于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、釬焊和埋弧焊。

1.2 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,應選用強度級別低于母材的低氫型焊條,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。

1.3 坡口制備

為了限制焊縫金屬中碳的質量分數,應減少熔合比,所以焊接時一般采用U型或V型坡口,并注意將坡口及坡口兩側20mm范圍內的油污、鐵銹等處理干凈。

1.4 預熱

采用結構鋼焊條焊接時,焊前必須預熱,預熱溫度控制在250℃～350℃。

1.5 層間處理

多層多道焊時,第一道焊采用小直徑焊條,小電流焊接。一般將工件置于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。

1.6 焊后熱處理

焊后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。

二、 高碳鋼的焊接缺陷及防止措施

由于高碳鋼淬硬傾向很大,在焊接時容易出現熱裂紋和冷裂紋。

2.1 熱裂紋的防止措施

1)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。

2)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。

3)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。

4)必要時采取預熱和緩冷措施,來防止熱裂紋的產生。

5)提高焊條或焊劑的堿度,以降低焊縫中的雜質含量,改善偏析程度。

2.2 冷裂紋的防止措施[4]

1)焊接前預熱和焊后緩冷,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。

2)選擇合適的焊接措施。

3)采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。

4)選擇合適的焊接材料,焊前要烘干焊條、焊劑,并做到隨取隨用。

5)焊前應仔細清除坡口周圍基本金屬表面的水、銹等污物,以降低焊縫中擴散氫的含量。

6)焊前應立即進行去氫處理,使氫從焊接接頭中充分逸出。

7)焊后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。

高碳鋼由于含碳量較高,淬硬性較大而焊接性較差,焊接時容易產生高碳馬氏體組織,容易產生焊接裂紋,因此在高碳鋼焊接時,要合理選擇焊接工藝,并及時采取相應措施,減少焊接裂紋的出現,提高焊接接頭性能。