鋼的碳當量公式及其在焊接中的應用舞鋼聯(lián)眾鋼鐵

1、a.當碳含量低于或等于0.12時，應采用下列公式進行碳當量計算：C pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B 如果熔煉分析顯示硼的含量低于0.001，那么不要求對硼元素測定進行產品分析,且在碳當量計算中可認為其值為零。Pcm是日本伊藤等人試驗研究出的焊縫的化學成分裂紋敏感率系數(shù)b.當碳含量大于0.12時，應采用下列公式進行碳當量計算：C IIW=C+Mn/6+Ni/15+Cr/5+Cu/15+Mo/5+V/5IIW是國際焊接學會推薦公式，也是通用公式。鋼的碳當量公式及其在焊接中的應用摘要 介紹了目前世界各國常用的碳當量公式及其適用的鋼種

2、、強度級別、化學成分范圍及應用判據(jù)。關鍵詞 碳當量焊接裂紋低合金高強度鋼鋼的碳當量就是把鋼中包括碳在內的對淬硬、冷裂紋及脆化等有影響的合金元素含量換算成碳的相當含量。通過對鋼的碳當量和冷裂敏感指數(shù)的估算，可以初步衡量低合金高強度鋼冷裂敏感性的高低，這對焊接工藝條件如預熱、焊后熱處理、線能量等的確定具有重要的指導作用。50年代初，當時鋼的強化主要采用碳錳，在預測鋼的焊接性時，應用較廣泛的碳當量公式主要有國際焊接學會(IIW)所推薦的公式和日本JIS標準規(guī)定的公式。60年代以后，人們?yōu)楦倪M鋼的性能和焊接性，大力發(fā)展了低碳微量多合金之類的低合金高強度鋼，同時又提出了許多新的碳當量計算公式。由于各國所

3、采用的試驗方法和鋼材的合金體系不盡相同，所以應搞清楚各國所使用的碳當量公式的來源、用途及應用范圍等，以免應用不當。1國際焊接學會推薦的碳當量公式CE(IIW)：1CE(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%)(1)(式中的元素符號均表示該元素的質量分數(shù)，下同。)該式主要適用于中、高強度的非調質低合金高強度鋼(b=500900 MPa。當板厚小于20 mm，CE(IIW)0.40%時，鋼材淬硬傾向不大，焊接性良好，不需預熱；CE(IIW)=0.40%0.60%，特別當大于0.5%時，鋼材易于淬硬，焊接前需預熱。2日本推薦的碳當量公式2.1日本JIS和WES標準規(guī)

4、定的碳當量公式：2Ceq(JIS)=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14(%)(2)該式主要適用于低碳調質的低合金高強度鋼(b=5001000 MPa)。當板厚小于25 mm，手工焊線能量為17 kJ/cm時，確定的預熱溫度大致如下：鋼材b=500 MPa,Ceq(JIS)0.46%,不預熱b=600 MPa,Ceq(JIS)0.52%,預熱75 b=700 MPa,Ceq(JIS)0.52%,預熱100 b=800 MPa,Ceq(JIS)0.62%,預熱150 (1)、(2)式均適用于含碳量偏高的鋼種(C0.18%)，即C0.20%;Si0.55%;Mn1.5

5、%;Cu0.50%;Ni2.5%;Cr1.25%;Mo0.70%;V0.1%;B0.006%。2.2Pcm公式日本伊藤等人進行了大量試驗后，提出了冷裂敏感指數(shù)(Pcm)的計算公式：Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B(%)(3)該式適用于C=0.07%0.22%,b=4001000 MPa的低合金高強度鋼。適用化學成分范圍：C 0.07%0.22%;Si 00.60%;Mn 0.40%1.40%;Cu 00.50%;Ni 01.20%;Cr 01.20%;Mo 00.70%;V 00.12%;Nb 00.04%;Ti 00.05%;B 00

6、.005%。伊藤等又根據(jù)Pcm、板厚h或拘束度(R)，建立了冷裂敏感性(Pw)、冷裂敏感指數(shù)(Pcm)及防止冷裂所需要的預熱溫度的計算公式：Pw=Pcm+H/60+h/600(3-1)或Pw=Pcm+H/60+R/40000(3-2)式中，H熔敷金屬中擴散氫含量(ml/100g，甘油法)R接縫拉伸拘束度(kg/mmmm)h板厚(mm)Pcm冷裂敏感指數(shù)當Pw0時，即有產生裂紋的可能性。利用(3-1)、(3-2)兩公式可以計算出無裂紋焊縫所需預熱溫度：T0=1440Pw-392()(3-1)、(3-2)兩式適用條件：擴散氫含量H為1.05.0 ml/100g；板厚為1950 mm；線能量為173

7、0 kJ/cm；化學成分范圍同(3)式。(3-1)、(3-2)兩式不僅考慮了鋼中化學成分的影響，還考慮到鋼板厚度或拘束度，以及熔敷金屬中含氫量，利用這兩式可以計算出防止冷裂紋所需的預熱溫度。3.3新日鐵的碳當量公式日本新日鐵公司近年來為適應工程需要提出的新的碳當量公式：56CE=C+A(C)Si/24+Mn/16+Cu/15+Ni/20+(Cr+Mo+V+Nb)/5+5B(%)(4)該CE公式是新日鐵公司近年提出的，適用于w(C)為0.034%0.254%的鋼種，是目前應用較廣、精度較高的碳當量公式。式中，A(C)碳的適用系數(shù)A(C)=0.75+0.25tgh20(C-0.12)A(C)與鋼中

8、含碳量的關系見表1。表1A(C)與鋼中含碳量的關系w(C)/%0 0.08 0.12 0.16 0.200.26A(C)0.500.5840.7540.9160.980.99日本新日鐵碳當量(CE)公式、碳的適用系數(shù)A(C)、國際焊接學會碳當量CE(IIW)公式與碳含量的關系見圖1、圖2。圖1日本新日鐵CE、A(C)與碳含量的關系圖2CE(IIW)和新日鐵CE的對應關系3美國推薦的碳當量公式 3.1計算預熱溫度的碳當量公式美國金屬學會提出的用于計算預熱溫度的碳當量CE經驗公式：3 CE=C+Mn/6+Ni/15+Mo/4+Cr/4+Cu/13(%)(5)當CE0.45%時，可不預熱；當CE在0

9、.45%0.60%之間時，預熱100200 ；當CE0.60%時，預熱200370。該式適用于碳鋼和低合金高強度鋼。3.2評定焊接性的碳當量公式美國金屬學會提出的用于評定淬火碳鋼和低合金鋼的焊接性的碳當量公式： CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Si+Ni+Cu)/15(%)(6)該式考慮了鋼中Si的影響，當CE0.35%時，通常不需預熱和后熱；當CE在0.35%0.55%之間時，一般需預熱；當CE0.55%時，可能既要預熱，又要后熱。3.3美國焊接學會(AWS)提出的碳當量公式：4CE=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+Cu/13+P/2(%)(7)該式適

10、用于碳鋼和低合金鋼，適用的化學成分范圍如下：C0.60%;Mn1.6%;Ni3.3%;Cr1.0%;Mo0.6%;Cu 0.50%1.0%;P 0.05%0.15%(當Cu0.50%和P0.05%時可不計)。碳當量及所對應的板厚的焊接性和施焊條件分別見圖3和表2。表2鋼的焊接性與施焊條件焊接性分類普通酸性焊條低氫焊條消除應力敲擊處理優(yōu)良不需預熱不需預熱不需不需較好預熱40100 -10 以上不需預熱任意任意尚好預熱150 預熱40100 希望希望難焊預熱150200 預熱100 必要希望圖3焊接性與板厚、碳當量的關系由圖3可查得、類鋼的最佳施焊條件。3.4美國海軍的碳當量公式美國海軍船體結構鋼

11、用低合金高強度鋼碳當量公式：6 CE=C+(Mn+Si)/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%)(8)碳當量、碳含量與鋼的冷裂敏感性的關系見圖4。圖4碳當量、含碳量與冷裂敏感性的關系如圖4所示，按含碳量和碳當量的不同，可把鋼的焊接性劃分為易焊區(qū)(區(qū))、可焊區(qū)(區(qū))和難焊區(qū)(區(qū))3個區(qū)域，含碳量為0.10%0.12%以下的區(qū)域，為易焊區(qū)，含碳大于0.10%0.12%，且碳當量CE0.49%的區(qū)域，為可焊區(qū)，含碳量大于0.10%0.12%，碳當量CE0.49%的區(qū)域，為難焊區(qū)。4其它國家推薦的碳當量公式 4.1前蘇聯(lián)提出的碳當量公式：4 CE=C+Mn/6+Cr/3+V/5+Mo/

12、4+Ni/15+Cu/13+P/2(%)(9)前蘇聯(lián)用(9)式計算碳當量，認為一般低合金高強度鋼，當CE0.45%時，焊接厚度為25 mm以下的鋼板可不預熱。此外，他們還從鋼的合金元素總含量和碳當量對鋼的焊接性作了評定，結果見表3。表3合金元素含量與焊接性的關系w(Mn+Si+Cr+Mo)/%w(C)/%焊接性1%0.250.250.350.350.450.45優(yōu)良較好尚可不良1%3%0.200.200.300.300.400.40優(yōu)良較好尚可不良0.30%0.180.180.280.280.380.38優(yōu)良較好尚可不良4.2捷克采用的碳當量公式： CE=C+Mn/6+Cr/5+Ni/15+M

13、o/4+Cu/13+P/2(%)(10)當碳當量0.35%且C0.22%時，碳鋼和低合金高強度鋼的焊接性良好。4.3英國的碳當量公式英國迪爾登(Dearden)和奧尼爾(Oneill)為評定熱影響區(qū)的裂紋而提出的碳當量公式：4 CE=C+Mn/6+Ni/15+Cr/5+Mo/4+V/5+Cu/13+Co/150(%)(11)該式適用于下列化學成分范圍的鋼材：C 0.1%0.30%；Mn 0.26%1.56%；Ni 05.38%;Cr 01.73%;Mo 00.64%;Cu 00.65%;V0.14%;Co 2.3%.為了獲得良好的焊接熱影響區(qū)，應將碳當量限制在0.45%內。一般可用碳當量預測某

14、種鋼種的焊接性，表4給出了碳當量公式中合金元素及系數(shù)的關系，通過碳當量的計算可以看出，當碳當量增加時，鋼材的淬硬傾向增大，硬度增加，這時鋼材焊接熱影響區(qū)就容易產生冷裂紋。表4碳當量公式中合金元素對應的系數(shù)碳當量公式合金元素CMnSiCrNiMoVCuBPCoNbCE(IIW)11/6-1/51/151/51/51/15-Ceq(JIS、WES)11/61/241/51/401/41/14-CE(AWS)11/6-1/41/151/4-1/13-1/2-CE(美，預熱)11/6-1/41/151/4-1/13-CE(美，焊接性)11/61/151/51/151/51/51/15-CE(英)11/

15、6-1/51/151/41/51/13-1/150-CE(俄)11/6-1/31/151/41/51/13-1/2-CE(捷)11/6-1/51/151/4-1/13-1/2-CE(美，海軍)11/61/61/51/151/51/51/15-CE(新日鐵)11/16*1/24*1/5*1/20*1/5*1/5*1/15*5*-1/5*注：*表示乘以A(C)。用上述的碳當量公式評定鋼的焊接性時，大致有以下幾種類型：第類只考慮到鋼中化學成分的影響，根據(jù)碳當量數(shù)值的大小，確定是否需要預熱或預熱溫度范圍；第類除考慮到化學成分外，還考慮了熔敷金屬擴散氫含量、試板的厚度或拘束度等因素，然后再計算防止開裂的預熱溫度；第類是根據(jù)碳當量和含碳量的大小把鋼的焊接性劃分為可焊、易焊和難焊3個區(qū)域，這3個區(qū)分別有不同的施焊要求，如對預熱等的要求也不同。曹良裕：男，59歲，高級工程師，主要從事焊接材料與工藝的研究。作者單位：洛陽船舶