碳當量計算小結(jié)20063

1、碳當量計算小結(jié) 主要描述了碳當量的定義和一些計算公式，自己編程實現(xiàn)，為以后應(yīng)用提供方便。并收集下載了 一些相關(guān)文獻參考。 鋼鐵材料的焊接性能一般是指焊縫及熱影響區(qū)是否容易形成裂紋，焊接接頭是否出現(xiàn)脆性等等。由于很多高壓管、罐、船體、橋梁等重要結(jié)構(gòu)件都是用焊接方式連接起來的，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，將造成災(zāi)難性的事故。如1943年，美國一個電站的蒸氣管道，在500攝氏度溫度下工作了5年，突然發(fā)生爆炸，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，斷裂發(fā)生于焊縫熱影響區(qū)。因此材料的焊接性能一直是一個非常重要的工藝指標。人們通過大量的實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)鋼的焊接性能與其成分關(guān)系很大，尤其是碳含量。當碳含量高時，焊接區(qū)容易產(chǎn)生裂紋，合金元素含量增

2、加也容易產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，因此可以用合金成分的"碳當量"概念來表示焊接性能的好壞 ，常用的碳當量C的經(jīng)驗計算公式為：C=C + Mn/6 + (Ni+Cu)/15 + (Cr+Mo+V)/5式中的元素符號代表這些元素在鋼中的重量百分比 。經(jīng)驗表明 ，當C小于0.4%時，鋼材焊接冷裂傾向不大，焊接性良好 ；C在0.4%0.6 %之間時，鋼材焊接冷裂傾向較顯著 ，焊接性較差，焊接時需要預(yù)熱鋼材和采取其它工藝措施來防止裂紋；當C大于0.6%時，鋼材焊接冷裂嚴重，焊接性能很差，基本上不適合于焊接，或者只有在嚴格的工藝措施下和較高的預(yù)熱溫

3、度下才能進行焊接操作。為了得到較高的強度，一個最有效的辦法就是提高鋼中的碳含量，但由于碳含量高導(dǎo)致焊接性能降低，因此低合金高強鋼必須是低碳的（一般小于含碳0.25%），如16Mn, 15MnVN，20CrMnTi等。一些高碳的工具鋼，如 T7T13（含碳0.71.3%）和鑄鐵零件，通常是不能焊接的。開發(fā)和使用高強度鋼鐵材料，用于制造工程結(jié)構(gòu)件，必須考慮焊接性能 。以下內(nèi)容摘自第14 卷第1期 材料開發(fā)與應(yīng)用1999 年2月 經(jīng)驗交流鋼的碳當量就是把鋼中包括碳在內(nèi)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

4、強度鋼冷裂敏感性的高低，這對焊接工藝條件如預(yù)熱、焊后熱處理、線能量等的確定具有重要的指導(dǎo)作用。50 年代初, 當時鋼的強化主要采用碳錳, 在預(yù)測鋼的焊接性時, 應(yīng)用較廣泛的碳當量公式主要有國際焊接學(xué)會( IIW ) 所推薦的公式和日本J IS 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。由于各國所采用的試驗方法和鋼材的合金體系不盡相同, 所以應(yīng)搞清楚各國所使用的碳當量公式的來源、用途及應(yīng)用范圍等, 以免應(yīng)用不當。1國際焊接學(xué)會推薦的碳當量公式CE(IIW): 1 （1）(式中的元素符號均表示

5、該元素的質(zhì)量分數(shù), 下同。) 該式主要適用于中、高強度的非調(diào)質(zhì)低合金高強度鋼( Rb=500900MPa。當板厚小于20mm,CE(IIW)< 0. 40% 時, 鋼材淬硬傾向不大, 焊接性良好, 不需預(yù)熱;CE(IIW)= 0. 40%0. 60% , 特別當大于.05% 時, 鋼材易于淬硬, 焊接前需預(yù)熱。2日本推薦的碳當量公式2. 1 日本J IS 和W ES 標準規(guī)定的碳當量公 （2）該式主要適用于低碳調(diào)質(zhì)的低合金高強度鋼(Rb= 500 1000M Pa)。 當板厚小于25 mm, 手工焊線能量為17 kJ/cm 時, 確定的預(yù)熱溫度大致如下: 鋼材 Rb= 500M Pa,

6、Ceq (J IS) 0. 46% , 不預(yù)熱Rb= 600M Pa, Ceq (J IS) 0. 52% , 預(yù)熱75 Rb= 700M Pa, Ceq (J IS) 0. 52% , 預(yù)熱100 Rb= 800M Pa, Ceq (J IS) 0. 62% , 預(yù)熱150 (1)、(2) 式均適用于含碳量偏高的鋼種(C 0. 18%), 即C 0. 20% ; Si 0. 55% ;M n 1. 5% ; Cu0. 50% ;N i2. 5% ;C r1. 25% ;M o 0. 70% ;V 0. 1% ;B 0. 006% 。2. 2P cm 公式日本伊藤等人進行了大量試驗后, 提出了

7、冷裂敏感指數(shù)(P cm) 的計算公式: （3）該式適用于C= 0. 07%0. 22% , Rb= 4001000M Pa的低合金高強度鋼。適用化學(xué)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%;Ti00.05%; B 0 0. 005% 。伊藤等又根據(jù)P cm 、板厚h 或拘束度(R ), 建立了冷裂敏感性(P w)、冷裂敏感指數(shù)(P cm) 及防止冷裂所需要的預(yù)熱溫度的計算公式: (3-1)或 (3-2)式中，H 熔敷金屬中擴散氫含量

8、(ml/100g, 甘油法) R 接縫拉伸拘束度(kg/mm·mm )h 板厚(mm )P cm 冷裂敏感指數(shù)當P w> 0 時, 即有產(chǎn)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(yù)熱溫度: （）(3-1)、(3-2) 兩式適用條件: 擴散氫含量H為1. 0 5. 0ml/100g; 板厚為1950 mm; 線能量為1730 kJ/cm; 化學(xué)成分范圍同(3) 式。(3-1)、(3-2) 兩式不僅考慮了鋼中化學(xué)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(yù)熱溫度。3. 3新日鐵的碳當量公式

9、日本新日鐵公司近年來為適應(yīng)工程需要提出的新的碳當量公式: 56 （%）（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(yīng)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) 與鋼中含碳量的關(guān)系見表1。表1A (C) 與鋼中含碳量的關(guān)系w (C)/% 0 0.08 0.12 0.16 0.20 0.26 A(C) 0.50 0.584 0.754 0.916 0.98 0.99 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(xué)會碳

10、當量 CE(IIW )公式與碳含量的關(guān)系見圖1、圖2。圖1日本新日鐵CE 、A (C) 與碳含量的關(guān)系圖2CE(IIW ) 和新日鐵CE 的對應(yīng)關(guān)系3美國推薦的碳當量公式3.1計算預(yù)熱溫度的碳當量公式美國金屬學(xué)會提出的用于計算預(yù)熱溫度的碳當量CE 經(jīng)驗公式: 3 （5）當CE<0.45%時,可不預(yù)熱;當CE在0.45%0.60%之間時,預(yù)熱100200; 當CE > 0. 60% 時, 預(yù)熱200 370 。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(xué)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: （6）該式考慮了鋼中Si 的影響, 當CE&l

11、t; 0. 35%時, 通常不需預(yù)熱和后熱; 當CE 在0. 35%0.55%時，一般需預(yù)熱；當CE> 0. 55%,可能既要預(yù)熱, 又要后熱。3. 3 美國焊接學(xué)會(AW S) 提出的碳當量公式: 4 (7) 該式適用于碳鋼和低合金鋼, 適用的化學(xué)成分范圍如下:C<0.60%;Mn<1.6%;Ni< 3. 3% ;C r< 1. 0%;M o< 0. 6% ;Cu 0. 50% 1. 0%;P 0. 05% 0. 15%(當Cu< 0. 50% 和P< 0. 05% 時可不計)。碳當量及所對應(yīng)的板厚的焊接性和施焊條件分別見圖3和表2。表2 鋼的

12、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(yīng)力敲擊處理優(yōu)良不需預(yù)熱不需預(yù)熱不需不需較好預(yù)熱40100-10 以上不需預(yù)熱任意任意尚好預(yù)熱150 預(yù)熱40 100 希望希望難焊預(yù)熱150 200預(yù)熱100 必要希望圖3焊接性與板厚、碳當量的關(guān)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(jié)構(gòu)鋼用低合金高強度鋼碳當量公式: 6 （8）碳當量、碳含量與鋼的冷裂敏感性的關(guān)系見圖4。圖4碳當量、含碳量與冷裂敏感性的關(guān)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

13、% 以下的區(qū)域, 為易焊區(qū), 含碳大于0. 10% 0. 12% , 且碳當量CE< 0. 49% 的區(qū)域, 為可焊區(qū), 含碳量大于0. 10% 0. 12% , 碳當量CE> 0. 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 (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(yù)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(jié)果見表3。表3合金元素含量與焊接性的關(guān)系4. 2捷克采用的碳當量公式: （10）當碳當量0. 35% 且C 0

14、. 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(D earden) 和奧尼爾(O neill) 為評定熱影響區(qū)的裂紋而提出的碳當量公式: 4 (11)該式適用于下列化學(xué)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 23%.為了獲得良好的焊接熱影響區(qū)應(yīng)將碳當量限制在45% 內(nèi)。一般可用碳當量預(yù)測某種鋼種的焊接性,表4給出了碳當量公式中合金元素及系數(shù)的關(guān)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,

15、 這時鋼材焊接熱影響區(qū)就容易產(chǎn)生冷裂紋。表4碳當量公式中合金元素對應(yīng)的系數(shù)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é 類只考慮到鋼中化學(xué)成分的影響, 根據(jù)碳當量數(shù)值的大小, 確定是否需要預(yù)熱或預(yù)熱溫度范圍; 第ê 類除考慮到化學(xué)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(yù)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(yù)熱等的要求也不同。參考文獻1 斯重遙等. 焊接手冊(第二卷). 北京: 機械工業(yè)出版社, 1992. 59 65 2 鈴木春義. 鋼材的焊接裂紋. 梁桂芳譯. 北京: 機械工業(yè)