三　碳當(dāng)量定義及其應(yīng)用

（一）碳當(dāng)量定義

鋼的碳當(dāng)量就是把鋼中包括碳在內(nèi)的，對淬硬，冷裂紋及脆化有影響的合金元素含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），換算成碳的相當(dāng)含量的總和。

（二）碳當(dāng)量的應(yīng)用

鋼材的焊接性能主要取決鋼材的淬透性、回火性和碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在工程焊接過程中，部分HAZ被加熱到鋼的熔點(diǎn)，其他部分也被加熱到Ac3以上或Ac1～Ac3之間；由于鋼的導(dǎo)熱快，迅速地冷卻下來，使HAZ的熱循環(huán)分別與淬火、正火或回火的熱循環(huán)相似。若鋼的淬透性過高，在HAZ中必然有馬氏體形成，而且近熔合線附近的晶粒也將非常粗大，那么，HAZ就有發(fā)生脆斷的危險。若碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，鋼的淬透性提高，使形成的馬氏體更脆、更硬；在HAZ中遠(yuǎn)離熔合線的部分，其綜合力學(xué)性能也會大大降低。因此，希望鋼中能含有某些抗回火軟化、回火脆化的合金元素，為了避免接近熔合線部分晶粒因受高溫而過于粗化，也希望鋼中含有一些細(xì)化晶粒的合金元素。

因此，在我國采用碳當(dāng)量估算公式，計算碳當(dāng)量來評估合金元素對鋼材焊接性能的影響。

1.應(yīng)用碳當(dāng)量估算公式評價鋼材焊接性能

鋼材的化學(xué)成分對焊接熱影響區(qū)的淬硬及冷裂傾向有直接影響，因此可以用化學(xué)成分來分析其冷裂敏感性。鋼材中的各種元素，碳對淬硬及冷裂影響最顯著，所以人們將鋼材中各種元素的作用按照相當(dāng)于若干含碳量折合并疊加起來，求得所謂的碳當(dāng)量（CE或Ceq），以CE或Ceq值的大小估計冷裂紋傾向的大小，認(rèn)為Ceq值越小，鋼材的焊接性能越好。

Ceq（Cd）=C+Mn/6+Cr/5+Ni/15+Mo/4+V/5+Si/24+P/2+Cu/13

焊接碳當(dāng)量Ceq（Cd）與鋼材HAZ的最高硬度之間存在一定的關(guān)系，一般情況下材料硬度越高，HAZ的硬度越高；特別是加入微合金元素的非調(diào)質(zhì)鋼表現(xiàn)更為明顯。實(shí)踐證明：加入合金元素較多，碳當(dāng)量增大，HAZ硬度增加，那么出現(xiàn)裂紋可能性也就越大。

然而，高強(qiáng)鋼的碳當(dāng)量卻不盡然。高強(qiáng)度合金鋼的焊接裂紋是由HAZ組織，焊縫金屬氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及結(jié)構(gòu)件外部的約束等因素綜合作用造成的，而HAZ的最高硬度主要反映鋼材的組織、化學(xué)成分和焊接區(qū)冷卻速度的影響。因此，單純以HAZ的硬度及高強(qiáng)鋼的碳當(dāng)量來評價焊接裂紋出現(xiàn)的可能性，往往做不出正確的判斷。焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果也表明，焊接碳當(dāng)量和焊接裂紋出現(xiàn)率之間，沒有明顯的規(guī)律性。

由此可知，焊接碳當(dāng)量只能用來粗略估計合金鋼的焊接性能。對鋼材焊接性能準(zhǔn)確評價，必須進(jìn)行一系列焊接性能試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果才能做出切實(shí)可行的焊接工藝。

鋼材的碳當(dāng)量計算公式及其應(yīng)用：

（1）幾種較常用的CE及Ceq公式

幾種較常用的CE及Ceq公式見表1.21。

①國際焊接學(xué)會（IIW）。

表1.21中公式適用于中、高強(qiáng)度的非調(diào)質(zhì)低合金高強(qiáng)鋼。CE<0.4％時，焊接厚度小于20mm的板可以不預(yù)熱。CE（IIW）=0.4％～0.6％，尤其是大于0.5％時，鋼材易淬硬，說明焊接性已變差，焊時需預(yù)熱才能防止焊接裂紋，隨著板厚增大，預(yù)熱溫度要相應(yīng)提高。

②日本JIS標(biāo)準(zhǔn)。

使用日本JIS標(biāo)準(zhǔn)的碳當(dāng)量公式時，除需考慮板厚因素外，還必須同時考慮鋼材的強(qiáng)度級別。當(dāng)板厚小于25mm，采用焊條電弧焊接（熱輸入為17kJ/cm）時，規(guī)定了不產(chǎn)生裂紋的碳當(dāng)量界限和相應(yīng)的預(yù)熱措施，見表1.22。

當(dāng)使用美國焊接學(xué)會推薦的碳當(dāng)量公式時，需根據(jù)計算出來某鋼材的碳當(dāng)量，再結(jié)合焊接的厚度，從圖1.33中查出該鋼材的焊接優(yōu)劣等級，再從表1.23中確定不同焊接性鋼材的最佳焊接條件。

（2）焊接冷裂紋敏感指數(shù)

除前述碳當(dāng)量外，焊縫含氫量和接頭拘束度都對冷裂傾向有很大影響。因此，日本伊藤等人采用Y形鐵研試驗(yàn)對200多不同成分的鋼材、不同的厚度及不同的焊縫含氫量進(jìn)行試驗(yàn)，提出了化學(xué)成分、擴(kuò)散氫和拘束度（或板厚）所建立的冷裂紋敏感指數(shù)等數(shù)據(jù)（公式），并用冷裂紋敏感性指數(shù)去確定防止冷裂紋所需的焊前預(yù)熱溫度。表1.24列出了這些數(shù)據(jù)及確定相應(yīng)預(yù)熱溫度的計算公式。

注：表中Pcm為冷裂紋敏感系數(shù)（％）。（GB/T 3965測氫法）中：［H］為熔敷金屬中擴(kuò)散氫含量，mL/100g；δ為被焊金屬的板厚，mm；R為拘束度，N/mm·mm；為有效擴(kuò)散氫，mL/100g；λ為有效系數(shù)（低氫型焊條λ=0.6，D=［H］；酸性焊條λ=0.48，H'D=［H］/2）。

Pc計算式為：

Pc=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B+t/600+H/60（％）　　（1.10）

式中　t——板厚，mm；

H——焊縫中擴(kuò)散氫含量，mL/100g。

此式適用條件：C=0.07％～0.22％；Si≤0.60％；Mn=0.40％～1.4％；Cu≤0.5％；Ni≤1.2％；Cr≤1.2％；Mo≤0.7％；V≤0.12％；Nb≤0.04％；Ti≤0.5％；B≤0.005％；δ=19～50mm；H=1.0～5.0mL/100g。

用急冷法測定焊縫金屬的含氫量：

H=1.0～5.0mL/100g

用焊接裂紋敏感指數(shù)Pc處理焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果，其數(shù)據(jù)比較集中，較之前述的碳當(dāng)量概念規(guī)律性更強(qiáng)、更可靠。

在不同的預(yù)熱溫度下（50℃、100℃和150℃），進(jìn)行Y形坡口拘束焊接裂紋試驗(yàn)可知，焊接敏感指數(shù)Pc和預(yù)熱溫度有關(guān)。當(dāng)預(yù)熱溫度To符合下述要求時，則不會出現(xiàn)焊接裂紋：求得Pc后，利用下式即可求出斜y坡口對接裂紋試驗(yàn)條件下，為防止冷裂所需要的最低預(yù)熱溫度To（℃）。

To=1440Pc-392（℃）

根據(jù)此式可以初步估計高強(qiáng)度合金鋼所需的焊接預(yù)熱溫度，作為確定其焊接工藝規(guī)范時的參考。鋼材焊接裂紋敏感指數(shù)Pc的計算也可以改寫為：

Pc=Pcm+α　　（1.11）

式中　α——系數(shù)；

Pcm——焊接裂紋敏感性組成，其實(shí)質(zhì)就是前文所述的碳當(dāng)量。

Pcm公式如下：

Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B

近年來，日本焊接學(xué)會對焊接裂紋敏感指數(shù)Pc進(jìn)行了討論研究，認(rèn)為用來判斷鋼材是否出現(xiàn)焊接裂紋是可行的，擬在規(guī)范中列入“焊接結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度鋼的焊接裂紋敏感性規(guī)定”。按照在高強(qiáng)度合金鋼中不出現(xiàn)焊接裂紋的要求，對各種強(qiáng)度級別的高強(qiáng)度合金鋼制訂了不同的Pc、Pcm和α的規(guī)定值，國外學(xué)者也做了大量工作，如表1.25和表1.26所示。

注：表中數(shù)據(jù)按下述條件制訂：①焊接裂紋=0；②鋼板厚度<50mm、45～63HW、H=2.0mL/100g；③70～90HW，H=1.41mL/100g。

注：AR：熱軋；N：正火；NR：正火軋制；T：回火；Q：淬火；TMCP：溫度-形變控軋控冷。參考標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 19879—2005。

在工程實(shí)踐中，可參考表1.25的參數(shù)，不過，由于我國基礎(chǔ)工業(yè)水平和檢驗(yàn)、檢測手段不夠精準(zhǔn)和普及，使用上述理論尚存在一些不足和缺憾。

2.應(yīng)用碳當(dāng)量公式估算鋼材的強(qiáng)度

建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接工程中，首先要了解工程所用鋼材的強(qiáng)度，一般說來，化學(xué)成分分析時間短，準(zhǔn)確度高，這就為我們應(yīng)用碳當(dāng)量估算鋼材強(qiáng)度提供了極大方便。

鋼材一般在正火（或退火）狀態(tài)下具有鐵素體+珠光體組織。此時，合金元素首先對鐵素體起固溶強(qiáng)化作用。硅、錳有較大的固溶強(qiáng)化作用，而硅和錳的資源豐富，因而是強(qiáng)化鐵素體最常用的元素。

通常用碳當(dāng)量來估算合金元素對鋼強(qiáng)度性能的影響，對于強(qiáng)度級別在400～700MPa范圍內(nèi)的正火（或退火）狀態(tài)下的合金鋼，其合金元素的碳當(dāng)量公式為：

屈服極限（σs、Re）碳當(dāng)量：

Ceq（Cs）=C+Mn/5+Si/7+Cu/7+Ni/20+O×Cr+Mo/2+1.1V　　（1.12）

屈服極限估算公式：

Ceq（σs）=（375×CeqCs+168）±40MPa　　（1.13）

強(qiáng)度極限（σs、Rm）碳當(dāng)量：

Ceq（Cb）=C+Mn/5+Si/7+Cu/7+Ni/20+Cr/9+Mo/2+V/2　　（1.14）

強(qiáng)度極限估算公式：

σb=（610×CeqCb+243）±35MPa　　（1.15）

延伸率（δ）碳當(dāng)量：

Ceq（Cδ）=C+Mn/9+Si/12+Cu/10+Ni/20+Cr/4+2Mo/5+4V/5　　（1.16）

延伸率（δ）估算公式：

δ=（55.9-51.2CeqCδ）±4.5％　　（1.17）

不可否認(rèn)，上述碳當(dāng)量和鋼材強(qiáng)度、塑性的估算公式會給我們的工作帶來極大方便。但是，上述公式只能近似的估算合金鋼的性能。當(dāng)上述各碳當(dāng)量在0.7以下時，兩者比較符合，結(jié)果比較準(zhǔn)確；當(dāng)碳當(dāng)量超過0.7時，則差別較大。因此，在要求精準(zhǔn)的場合，必須進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。不過，僅僅對焊接而言，計算的數(shù)據(jù)是具有參考應(yīng)用價值的。

3.推薦參考新日鐵的碳當(dāng)量公式

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(dāng)量公式為：

CE=C+A（C）Si/24+Mn/16+Cu/15+Ni/20+（Cr+Mo+V+Nb）/5+5B（％）　　（1.18）

該CE公式是新日鐵公司近年提出的，適用于C為0.034％～0.254％的鋼種，是目前應(yīng)用精度較高的碳當(dāng)量公式之一。

式中，A（C）為碳的適用系數(shù)。

A（C）與鋼中含碳量的關(guān)系見表1.27。

日本新日鐵碳當(dāng)量（CE）公式、碳的適用系數(shù)A（C）、國際焊接學(xué)會碳當(dāng)量CE（IIW）公式與碳含量的關(guān)系見圖1.34、圖1.35。

該式精度較高，在研究工作中不妨一試。

4.工程案例

應(yīng)用碳當(dāng)量公式復(fù)核計算預(yù)熱溫度

Q460E-Z35焊接性試驗(yàn)研究方案：

（1）研究技術(shù)路線

①調(diào)查研究、搜集整理國內(nèi)外對Q460E-Z35厚板的研究成果資料及工程實(shí)際應(yīng)用情況，跟蹤本課題技術(shù)領(lǐng)域國內(nèi)外發(fā)展的動向，確保本項(xiàng)目研究的先進(jìn)性和實(shí)用性。

②利用國內(nèi)舞陽鋼鐵有限公司現(xiàn)有設(shè)備，通過成分設(shè)計及工藝控制措施，試生產(chǎn)出能夠滿足國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程用鋼需求的Q460E-Z35級鋼材。

③通過熱切割、熱矯正、焊接性試驗(yàn)和剛性接頭試驗(yàn)等系列試驗(yàn)，對試生產(chǎn)的Q460E-Z35級鋼材的焊接性進(jìn)行系統(tǒng)研究，總結(jié)出一套適合Q460E-Z35厚板的熱切割、熱矯正及焊接技術(shù)，為國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程Q460E-Z35厚板的熱切割、熱矯正及焊接提供指導(dǎo)性意見。

④結(jié)合焊接性的研究成果，通過一系列焊接工藝評定試驗(yàn)，總結(jié)出一套適用于國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程Q460E-Z35厚板的焊接工藝參數(shù)，以指導(dǎo)國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程Q460E-Z35厚板焊接施工。

（2）焊接冷裂紋敏感性試驗(yàn)（確定預(yù)熱溫度）

①碳當(dāng)量。

采用國際焊接學(xué)會（IIW）推薦的鋼碳當(dāng)量公式計算：

Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Cu+Ni）/15（％）　　（1.19）

碳當(dāng)量越高，則淬硬和冷裂傾向越大，焊接性就越差。一般認(rèn)為，Ceq<0.4％者為焊接性良好；Ceq=0.4％～0.5％者，焊接性稍差，焊接時要采取適當(dāng)?shù)念A(yù)熱措施；Ceq>0.5％者為焊接性不好，必須采取有效的工藝措施才能防止冷裂發(fā)生。按照試驗(yàn)鋼板的成分（實(shí)際復(fù)驗(yàn)值），用以上公式計算，其Ceq為0.47％>0.4％。因此，Q460E-Z35有產(chǎn)生焊接冷裂紋的傾向，在焊接時應(yīng)采取適當(dāng)?shù)念A(yù)熱措施。

②斜y坡口焊接裂紋試驗(yàn)。

斜y坡口焊接裂紋試驗(yàn)（小鐵研）主要是評定焊接熱影響區(qū)及焊縫金屬產(chǎn)生冷裂紋的傾向性。試驗(yàn)按照GB 4975.1《斜y坡口焊接裂紋實(shí)驗(yàn)方法》的規(guī)定進(jìn)行。

試驗(yàn)焊縫結(jié)束，經(jīng)48h后，進(jìn)行表面裂紋檢查，每塊均經(jīng)發(fā)藍(lán)處理后進(jìn)行解剖觀察斷面裂紋狀況，確定150℃為厚度110mm的Q460E-Z35鋼焊接預(yù)熱溫度。

（3）Q460E-Z35+GS205MnV焊接接頭的焊接預(yù)熱溫度復(fù)核

焊前預(yù)熱的作用：延長焊縫金屬從峰值溫度降到室溫的冷卻時間，使焊縫中的擴(kuò)散氫有充分的時間溢出，避免冷裂紋的產(chǎn)生，延長焊接接頭從800～500℃的冷卻時間，改善焊縫金屬及熱影響區(qū)的顯微組織，使熱影響區(qū)的最高硬度降低，提高焊接接頭的抗裂性。

國家體育場“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)焊接工程，通過一系列試驗(yàn)，特別是斜y試驗(yàn)，選擇150℃為厚度110mm的Q460E-Z35鋼焊接預(yù)熱溫度。包括Q460E-Z35+GS205MnV異種鋼焊接仍然采用此預(yù)熱溫度。

為了謹(jǐn)慎起見，仍然應(yīng)用其他碳當(dāng)量公式對異種鋼焊接預(yù)熱溫度進(jìn)行復(fù)核。

預(yù)熱溫度的復(fù)核如下：

采用《現(xiàn)代焊接技術(shù)手冊》（曾樂）第696頁介紹的估算預(yù)熱溫度公式進(jìn)行估算：

［C］化=C+Mn/9+Cr/9+Ni/18+Mo/13（化學(xué)成分影響的碳當(dāng)量）　　（1.20）

考慮厚度因素，用厚度碳當(dāng)量計算

［C］厚=0.005δ［C］化（板厚影響的碳當(dāng)量）　　（1.21）

總的碳當(dāng)量公式

［C］總=［C］厚+［C］化　　（1.22）

焊接預(yù)熱溫度可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計算：

T0=350（［C］總-0.25）1/2　　（1.23）

Q460E-Z35（110mm）與GS-20Mn5V（100mm）的預(yù)熱溫度的確定見表1.28。

注：GS-20Mn5V的化學(xué)成分均取平均值。

根據(jù)異種鋼焊接時，預(yù)熱溫度應(yīng)以預(yù)熱溫度高的鋼材一側(cè)為最低預(yù)熱溫度，故焊接前預(yù)熱溫度選取≥150℃，且不超過200℃。