1 碳钢的焊接性
碳素钢是碳含量W（C）≤1.3％（质量分数）的铁碳合金，通常简称为“碳钢”。为了改善碳素钢的力学性能和冶金特性，碳素钢中还添加了少量锰［W（Mn）＜1％］和硅［W（Si）≤0.5％］，除此之外，还有微量的硫、磷等杂质。
碳素钢含碳量低，锰、硅等元素含量较少，强度不高，塑性好，焊接性好。其焊接性基本上取决于其碳含量的高低，随含碳量的增加而恶化，即焊接性变差。
总体来说，随碳含量增加，淬硬性增加，硬度增加，显微组织中马氏体含量增加，冷裂倾向也就增大。（冷裂倾向是指钢材在焊接过程中，由于淬硬倾向和氢的影响，以及焊接接头的应力状态，导致在冷却至较低温度时产生的裂纹。冷裂纹的形成主要有三个要素：淬硬倾向、氢含量及其分布和焊接接头的应力状态。）
焊接碳素钢时，焊缝一般不易出现裂纹和气孔。沸腾钢例外，因脱氧不完全，硫、磷等杂质较多，而且分布不均匀，其焊接产生热裂纹和气孔的倾向较大。
2 冷却速度
碳素钢的焊接性不仅取决于碳、锰和硅的含量，还取决于焊接接头冷却速度。
冷却速度在焊接过程中是一个极其关键的参数，它对焊缝组织的形成和性能起着决定性的作用。焊接时，熔池中的液态金属在高温下形成焊缝，而随后进入凝固阶段，这个凝固过程中的冷却速度直接影响到焊缝晶粒的大小、形态以及分布。适当的冷却速度可以使焊缝组织得到细化，提高焊缝的力学性能，如强度、塑性和韧性；同时，通过控制冷却速度还可以降低焊缝的腐蚀敏感性，提高其耐腐蚀性能。因此，在焊接过程中，根据不同的材料和焊接条件，合理选择和控制冷却速度，是获得具有优良综合性能焊缝组织的重要手段。
如要改善焊接性，需要控制冷却速度，避免产生裂纹，而冷却速度受焊接热输入、母材厚度和环境温度的影响。
（1）母材的厚度
当钢板的厚度增加时，散热加快，使焊接接头的冷却速度增加，增大了形成冷裂纹的倾向。T形接头比对接接头更容易产生冷裂纹，这主要是由于其散热方向多，导致冷却速度加快。
（2）焊接热输入
采用预热和后热，或增大焊接热输入，都能降低焊接接头冷却速度，从而控制组织和硬度，减小产生冷裂纹的可能性。
（3）环境温度
不同的环境温度下进行，焊后的冷却速度不同。在低温下焊接时，其冷却速度加快。
如果使用低氢碱性焊条，并按规定的工艺参数烘干，则可大大减少氢致冷裂纹的敏感性。但如果结构刚性过大，或板材较厚，都能造成大的拘束度，氢致冷裂纹敏感性增加。
总之，对碳素钢的焊接，应针对其碳含量不同而采取相应的工艺措施。当碳含量较低时，应着重防止结构拘束应力和不均衡的热应力引起的裂纹；当含碳量较高时（如高碳钢），除了防止这些应力所引起的裂纹外，还应注意防止氢致裂纹、因淬硬组织而引起的裂纹。
3 低碳钢的焊接
低碳钢的焊接性较好。焊接接头中不会出现因焊接而引起严重硬化组织或淬火组织。塑性和冲击韧度优良，焊成的接头塑性和冲击韧度良好。只要选择焊条合适，接头厚度小于50mm时，焊接时一般不需预热、控制层间温度和后热处理，整个焊接过程不需要采取特殊的工艺措施，便能获得满意的焊接接头。
采用焊条电弧焊（111）焊接低碳钢时，为了提高焊缝金属的塑性、韧性和抗裂性能，使用的焊条含碳量通常都是比母材低，使焊缝金属的含碳量低于母材，通过提高焊缝中硅、锰含量和依靠焊条电弧焊所具有的较高冷却速度来达到与母材等强匹配。
为了避免因冷却速度过快导致硬化组织或淬火组织的产生，当厚板单层角焊缝时，其焊角尺寸不宜过小；多层焊时，应尽量连续施焊；焊补表面缺陷时，焊缝应具有一定尺寸，焊缝长度不得过短，必要时应采用局部预热100～150℃。
焊条电弧焊的各种工艺参数对低碳钢的热影响区性能没有明显的影响，但应避免焊接热输入过大，以防止接头过热，而产生粗晶脆化。当刚度大的低碳钢结构在低温（如严寒的天气）条件下进行焊接，可能出现裂纹，此时，应适当考虑焊前预热或采用低氢碱性焊条等措施。
通常情况下，低碳钢的焊接可选用酸性焊条，但特殊情况下，如大厚度工件或大刚度构件以及在低温条件下进行焊接等情况下，考虑采用低氢碱性焊条。
一般低碳钢焊件焊后不需要热处理，但在焊件刚性较大及壁厚较大时，焊后才需要进行600～650℃的退火热处理。
4 焊条选择
在焊接结构中常用的低碳钢，其抗拉强度的平均值约为420MPa。按等强度原则，低碳钢焊条原则上应选择E43××型强度级别的焊条。对于焊后需作消除应力处理的厚板结构，受压容器和锅炉受压部件，考虑到消应力处理后接头的强度有所下降，则应选择E50××强度级别的焊条。常用的低碳钢可按结构的受载选配非合金钢及细晶粒钢焊条（GB/T 5117-2012）。
接头形式和焊接位置对焊缝的成形影响很大，选用焊条时应考虑焊缝成形。平板对接和处于船形位置的角接接头，可选用熔敷效率较高的焊条，如E4323铁粉钛钙型、E5024铁粉钛型、E5027铁粉氧化铁型和E5018铁粉低氢型焊条等。T形接头平角焊时，如焊脚尺寸较小（≤10mm），可选用高熔敷效率的焊条，如E4313、E4324、E5024等。如焊脚尺寸大于10mm，则应选用熔敷效率较高，同时熔池凝固速度又较快的焊条，如E4323和E5018等。
立焊、横焊、仰焊位置焊接时，应选用熔池凝固快的焊条，如E4310、E4311、E4322或E5010、E5011等。向下立焊时，应选用专为这种操作方法设计的E4310、E4313、E4316型焊条。焊接对接接头根部封底焊道时，为了获得单面焊双面成形的根部焊道，应选用快速凝固的E5011和E5016-G型焊条。
5 焊前准备
低碳钢焊前准备主要包括坡口制备、焊前清理、焊条再烘干、焊前预热等工艺。
（1）坡口制备
可以采用火焰切割、等离子弧切割和机械加工等方法加工坡口。坡口切割后，边缘的飞边、毛刺、氧化皮和残渣必须清除干净。对于接缝装配间隙要求严格的接头，最好采用机械加工法制备坡口。
（2）焊前清理
采用碱性焊条焊接时，焊前必须将工件坡口及两侧20mm范围内的铁锈、水、油污、氧化皮等杂质清理干净。
对于重要焊件，应用砂轮打磨至露出金属光泽；采用酸性焊条焊接时，原则上也应进行上述清理工作，但由于具有较强的氧化性气氛，对锈的敏感性较差，因此对于焊缝质量要求不高、工件表面锈较少的工件，可不进行除锈。但从确保焊缝金属致密性出发，接缝坡口表面及两侧20mm区域内的铁锈、氧化皮和油污必须清理干净。
如果焊接环境的空气湿度大于60％，且温度低于20℃时，焊前应用火焰加热炬烘烤焊件接缝表面，以去除吸附水分。
（3）焊条再烘干
焊条使用前应确认是否处于干燥状态。如焊条在大气中存放时间超过12h，则应按规定的烘干温度重新烘干，特别是低氢型焊条，焊条药皮水分含量应严格控制，否则焊缝金属的氢含量会明显增加，严重时还会导致焊缝中产生气孔。
（4）焊前预热
一般的低碳钢结构件，焊条电弧焊焊前可不进行预热。但在焊接厚板或刚度大的结构以及低温条件下焊接低碳钢结构时，为防止产生焊接缺陷，特别是防止出现裂纹，应考虑预热。根据环境温度、结构的厚度、不同结构和材料，选择焊前的预热温度，一般可根据试验结果和生产实践经验进行确定。表4-1中列出了部分低碳钢的预热温度。
6 焊接参数
焊条电弧焊的焊接参数主要有焊接电流、电弧电压和焊接速度。
焊接电流取决于所用的焊条种类和型号及焊条直径，并根据具体的被焊材料、板厚、焊接位置，通过试验得出。一般可根据板厚，选择合适直径的焊条和层数，然后根据焊条直径选择所用焊接电流。
焊条直径与焊接电流的关系见表6-1。
低碳钢焊条电弧焊合适的电弧电压主要取决于所用焊条的类型，酸性焊条合适的电弧电压范围为25～30V，碱性焊条合适的电弧电压范围为20～24V。施焊过程中，由焊工通过电弧长度加以控制。
焊接速度由焊工掌握，焊接速度主要按焊缝成形来选取。
焊条电弧焊时，由于使用的焊接电流和电弧电压范围较窄，因此，焊接热输入主要通过焊接速度控制。
7 低温工况焊接
低碳钢在严寒冬天或类似的气温条件下焊接时，特别是刚度大、厚板结构，由于焊接接头在焊后冷却速度较快，产生裂纹倾向增大。
在多层焊第一道焊缝时，当外界温度低到钢材处于脆性状态以下温度时，导致构件在制造过程中的脆断倾向增大。
为了避免在低碳钢在低温条件下装配、焊接过程中产生裂纹以及厚大件的脆性断裂。可采取以下措施：
（1）焊前预热和焊时保持层间温度。
预热温度可根据试验结果和生产实践具体确定，不同产品的预热温度不同。下表列出了不同产品在低温下焊接的预热温度。
（2）采用低氢碱性焊条。
（3）定位焊时采用大电流和慢焊速，可适当增大定位焊缝截面和长度，必要时施加预热。
（4）整条焊缝应连续焊完，尽量避免中断。
（5）不要在坡口以外的母材上引弧；熄弧时弧坑要填满。
（6）弯板、矫正及装配时，尽可能避免在低温下进行。
（7）尽可能减少焊缝未焊透、弧坑裂纹、咬边等缺陷。
（8）尽可能改善严寒下的劳动及生产条件。根据生产条件及要求，上述措施可单独采用或综合采用。
青岛西子环保研究院有限公司
二零二五年 一月
