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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(qū)內(nèi)形成的馬氏體組織,性能硬而脆,導(dǎo)致接頭的塑性和韌性大大下降,因此高碳鋼的焊接性相當(dāng)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(jié)構(gòu)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(jī)器零部件,如轉(zhuǎn)軸、大型齒輪和聯(lián)軸器等[1]。為節(jié)省鋼材,簡化加工工藝,這些機(jī)器零部件也往往采用焊接結(jié)構(gòu)組合而成。在重型機(jī)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(yīng)全面分析可能產(chǎn)生的各種焊接缺陷,并采取相應(yīng)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(jié)構(gòu),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(qiáng)度。焊條電弧焊時一般選用去硫能力強(qiáng)、熔敷金屬擴(kuò)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(qiáng)度時,應(yīng)選用相應(yīng)級別的低氫型焊條;在不要求焊縫金屬與母材等強(qiáng)度時,應(yīng)選用強(qiáng)度級別低于母材的低氫型焊條,切記不能選擇強(qiáng)度級別比母材高的焊條。如果焊接時母材不允許預(yù)熱,為了防止熱影響區(qū)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(qiáng)的奧氏體組織。

1.3 坡口制備

為了限制焊縫金屬中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù),應(yīng)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(cè)20mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹等處理干凈。

1.4 預(yù)熱

采用結(jié)構(gòu)鋼焊條焊接時,焊前必須預(yù)熱,預(yù)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(qū)都在短時間內(nèi)受熱,以獲得預(yù)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(jìn)行保溫進(jìn)行消除應(yīng)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(xiàn)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(xué)成分,嚴(yán)格控制硫、磷的含量,適當(dāng)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(yīng)選擇合適的焊接參數(shù)、合適的焊接次序和方向。

4)必要時采取預(yù)熱和緩冷措施,來防止熱裂紋的產(chǎn)生。

5)提高焊條或焊劑的堿度,以降低焊縫中的雜質(zhì)含量,改善偏析程度。

2.2 冷裂紋的防止措施[4]

1)焊接前預(yù)熱和焊后緩冷,不僅可以降低熱影響區(qū)的硬度和脆性,而且還可以加速焊縫中的氫向外擴(kuò)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(yīng)力,改善焊件的應(yīng)力狀態(tài)。

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(yīng)仔細(xì)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(kuò)散氫的含量。

6)焊前應(yīng)立即進(jìn)行去氫處理,使氫從焊接接頭中充分逸出。

7)焊后應(yīng)立即進(jìn)行消除應(yīng)力的退火處理,促使焊縫中的氫向外擴(kuò)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(chǎn)生高碳馬氏體組織,容易產(chǎn)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(yīng)措施,減少焊接裂紋的出現(xiàn),提高焊接接頭性能。