碳钢是碳素钢的简称，是以铁为基本成分，以碳ωc≦1.3%作为主要合金元素的铁碳合金。碳钢中除铁、碳外，还含有少量的有益元素锰和硅，锰的质量分数一般小于1 %，个别钢中达到1.2%,硅的质量分数都在0.5%以下。此外，碳素钢中还含有少量的杂质元素硫和磷等，由于钢种质量要求不同，对硫、磷的限制有所不同。对于某些重要碳素钢，还需限制铬、镍、铜、氨等元素的含量。

碳钢根据钢中含碳量的不同划分为低碳钢、中碳钢和高碳钢，其中，碳的质量分数ωc≦0.25的碳钢称为低碳钢，碳的质量分数ωc=0.25～0.6%的碳钢称为中碳钢，碳的质量分数ωc＞0.6%的称为高碳钢。

由于中碳钢多用于制造机器零件，并非大型焊接结构，采用焊条电弧焊方法应用得较多，同样，高碳钢的淬硬倾向和裂纹敏感性都很大，这类钢主要用于制造需要高硬度或耐磨的部件或零件，其焊接工作主要是采用焊条电弧焊进行焊补修复，因此，就碳钢而言，埋弧焊主要应用于低碳钢的焊接，但中碳钢的焊接也有应用。

一、焊接特点

碳钢的焊接性主要取决于碳的含量，随着含碳量的增加，焊接逐渐变差。碳钢中的锰和硅对焊接性也有影响，其含量增加，焊接性变差，但不如碳的作用强烈。通常把锰、硅的影响折算为相当多少碳量的作用，这样就可以把碳、锰和硅对焊接性的影响用碳钢的碳当量(CE)经验公式来表示，即CE=ωc÷1/6wMN+1/24wSI（CE值增加，则产生冷裂纹的可能性增加，焊接形变差。通常，CE值大于0.4%时，冷裂纹的敏感性增大）。

 1.低碳钢

低碳钢的含碳量低，锰、硅的含量也少，它的碳当量值远远小于0.4% ,因此，低碳钢在通常情况下不会因焊接而引起严重的硬化组织或裂纹。低碳钢的塑性和韧性优良，焊成的接头也能获得满意的塑性和韧性。焊接时一般不需采用特殊的工艺措施，就能够获得优质的焊接接头，因此其焊接性优良。

2.中碳钢

中碳钢包括30, 35, 45 , 50 , 55等碳素结构钢和ZG230～450 ,ZG270～500, ZG310～570, ZG340～640等铸造碳钢，由于中碳钢的含碳量比低碳钢高，其焊接性比低碳钢差。当碳的质量分数接近0.3%，而含锰量不高时，焊接性尚好，但随着含碳量的增加，焊接性逐渐变差。当碳的质量分数达到0.5%左右时，焊接性明显变差，容易产生冷裂纹、热裂纹和一氧化碳气孔等缺陷，这时，一般不采用埋弧焊进行生产。

二、焊接工艺

通常，在焊接一般低碳钢结构时，焊丝可选H08,H08A，配合HJ430, HJ431；焊接重要低碳钢结构时，焊丝选H08MnA ,配合HJ431。详见表1。

 

表1：低碳钢埋弧焊焊接材料的选用钢号

埋弧焊采用比手工电弧焊大得多的焊接规范参数，生产效率较高，熔深也大。对于厚度较大的焊件，可以采用多道焊来完成。多道焊时，由于第一层焊缝里基本金属熔化比例(熔合比)较大，焊缝中含碳量略有升高，再加上第一层的焊缝易形成不利的横截面形状(所谓0形截面)，所以在第一层焊缝中容易产生热裂纹。在环缝自动焊时，为防止金属熔池中的液态金属外流及保证焊剂的良好保护作用，焊接位置应从最高处朝旋转的相反方向偏移一段距离，使熔池保持在焊件的上表面。

如前所述，中碳钢焊接一般采用焊条电弧焊的方法，当35钢、ZG270～500钢、45钢和ZG310～570采用埋弧焊时，要注意以下几点:

1）35钢，ZG270～500钢采用埋弧焊时，焊丝可选用H08MnA , H10Mn2，配合焊剂HJ430 , HJ431使用，而45钢、ZG 310～570采用埋弧焊时，焊剂一般选用HJ350或SJ101，焊丝选用H08MnMoA。

2）35钢、ZG270～500钢埋弧焊时，焊件的预热温度和层间温度为150º左右，当焊件刚性比较大时，预热温度和层间温度应提高到200～250º。局部预热的加热范围为坡口两侧150～200mm。而45钢、ZG310～570埋弧焊时预热温度为200℃以上。最好整体预热，层间温度不得低于预热温度。

3）焊接时要选用较小的焊接电流，以降低焊缝的熔合比，减少母材中的碳向焊缝中过渡的数量。

4）35钢、ZG27D～500钢埋弧焊时，对于厚度大，或者刚性大，或者工作条件恶劣的焊件，焊后宜立即进行消除应力回火处理，回火温度一般为600～650ºC。对于一般厚度的焊件可采用后热，以使扩散氢逸出，后热温度一般为200～350 ºC，保温时间2～6h。而45钢、ZG310～570埋弧焊时，焊件焊后应立即进行消除应力回火处理，回火温度为600～650 ºC。

三、操作实例

1.蒸汽锅炉锅筒20g的埋弧焊

蒸汽锅炉上锅筒采用20g钢制造，壁厚30mm，其工作压力为2.5 MPa，采用直流埋弧焊进行焊接，纵缝和环缝的钢板厚度相同，坡口形式也一致（如图1）。定位焊采用焊条电弧焊。

 

图1：蒸汽锅炉锅筒的坡口形式

1）采用刨边机制作接头坡口，并对坡口及其两侧各20～30mm范围的铁锈、油污等杂质进行清理，使其露出金属光泽。

2）在焊剂垫上进行定位焊，与此同时，在筒体纵缝两端装配产品焊接试板、引弧板和引出板(如图2)。引弧板与引出板的尺寸均为l50mm x 100mm x 30mm，坡口均与接头坡口相同。

 

图2：装配形式

3）埋弧焊焊剂采用HJ431，焊丝采用φ5mm的H08MnA ,焊丝伸出长度为40mm；定位焊用焊条采用气保焊或手工焊条。

4）焊前，焊剂在300℃烘干2h；焊条在150℃烘干2h。经烘干的焊剂、焊条放在100℃左右的封闭保温筒里，随用随取。

5)焊接工艺参数如表2所示。

 

表2：锅筒(壁厚30mm)的埋弧焊工艺参数

6)焊完正面焊缝以后接着焊反面焊缝，层间温度均控制低于250℃。

7)焊接纵、环缝正面第一道焊缝时，反面(锅筒外面)加焊剂垫，要求纵缝的焊剂垫在焊缝整个长度上都与焊件紧密贴合，且压力均匀，以防止液态金属下淌。

8)环缝焊接时.无论是正面焊缝，还是反面焊缝，焊丝均与筒体中心线偏离35～45mm距离。

9)焊接结束后，对锅筒的纵、环缝进行100%射线检测，结果为II级。对产品焊接试板进行检验，接头的强度和塑性均合格。

2.碳钢纵缝埋弧自动焊

 若干条20钢板采用埋弧自动焊进行对接纵缝的焊接，钢板长度为2000mm和1000mm两种。厚度为20mm焊接工艺如下:

1)采用V形坡口双面自动焊，坡口尺寸见图3。

 

图3：钢板对接坡口形式与尺寸

2)清除坡口及其边缘的油污、氧化皮及铁锈等，对重要产品，应在距坡口边缘30mm内打磨出金属光泽。

3)用J427焊条在坡口面两端预焊长约40mm的定位焊缝，长度大的工件还应增加若干中间定位焊缝。定位焊缝需有足够的牢固性以保证安全起吊。

4)在接缝两端焊上与坡口形式一样的引弧板和引出板。

5)将干燥的HJ431焊剂铺在槽钢上做成简易的焊剂垫，并用刮板将焊剂堆成尖顶，纵向成直线。

6)将装搭好的焊件起吊、翻身，置于焊剂垫上。起吊点应尽量接近装搭焊缝处，以免装搭焊缝断裂。工件安放位置如图4所示，以防焊接时工件倾斜不平，在其两端轻轻垫上木楔。

 

7)对应工件纵缝安放轨道与焊车，装上φ5mm的H08MnA焊丝，放入经250℃烘于的H431，工件接电源的负极。

8)调整好焊丝和指针（或红外跟踪），选择好所需的焊接工艺参数（如表3），从引弧板上起弧，起弧后对所选用工艺参数仍可作适当调整。焊接过程中要保证焊丝始终指向焊缝中心。焊接过程必须在引出板上结束。

 

表3：20钢对接自动焊规范

9)将背面焊好的焊件吊起、翻身，用碳弧气刨和砂轮磨去焊根，并清理焊道。

10) 进行坡口正面的焊接。第一层尽量使焊缝呈圆滑下凹形，并保留坡口边缘线；第二层必须盖住第一道焊缝。焊毕割除引弧板和引出板。

 

 

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