碳当量计算

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1、碳当量计算小结碳当量计算小结 主要描述了碳当量的定义和一些计算公式，自己编程实现，为以后应用提供 方便。并收集下载了 一些相关文献参考。 钢铁材料的焊接性能一般是指焊缝及热影响区是否容易形成裂纹， 焊接接头 是否出现脆性等等。由于很多高压管、罐、船体、桥梁等重要结构件都是用焊接 方式连接起来的，一旦出现质量问题，将造成灾难性的事故。如 1943 年，美国 一个电站的蒸气管道，在 500 摄氏度温度下工作了 5 年，突然发生爆炸，经检查 发现，断裂发生于焊缝热影响区。因此材料的焊接性能一直是一个非常重要的工 艺指标。 人们通过大量的实验结果，发现钢的焊接性能与其成分关系很大，尤其是碳 含量。当碳

2、含量高时，焊接区容易产生裂纹，合金元素含量增加也容易产生开裂 现象， 因此可以用合金成分的“碳当量“概念来表示焊接性能的好坏 ， 常用的碳当 量C的经验计算公式为： C=C + Mn/6 + (Ni+Cu)/15 + (Cr+Mo+V)/5 式中的元素符号代表这些元素在钢中的重量百分比 。经验表明 ，当C小于 0.4%时，钢材焊接冷裂倾向不大，焊接性良好 ；C在 0.4%0.6 %之间时，钢材 焊接冷裂倾向较显著 ，焊接性较差，焊接时需要预热钢材和采取其它工艺措施 来防止裂纹；当C大于 0.6%时，钢材焊接冷裂严重，焊接性能很差，基本上不 适合于焊接， 或者只有在严格的工艺措施下和较高的预热温

3、度下才能进行焊接操 作。 为了得到较高的强度，一个最有效的办法就是提高钢中的碳含量，但由于碳 含量高导致焊接性能降低，因此低合金高强钢必须是低碳的（一般小于含碳 0.25%） ，如 16Mn, 15MnVN，20CrMnTi 等。一些高碳的工具钢，如 T7T13（含 碳 0.71.3%）和铸铁零件，通常是不能焊接的。开发和使用高强度钢铁材料， 用于制造工程结构件，必须考虑焊接性能 。 以下内容摘自第 14 卷第 1 期 材料开发与应用 1999 年 2 月 经验交流 钢的碳当量就是把钢中包括碳在内的对淬硬、 冷裂纹及脆化等有影响的合金 元素含量换算成碳的相当含量。通过对钢的碳当量和冷裂敏感指数

4、的估算, 可以 初步衡量低合金高强度钢冷裂敏感性的高低，这对焊接工艺条件如预热、焊后热 处理、线能量等的确定具有重要的指导作用。 50 年代初, 当时钢的强化主要采用碳锰, 在预测钢的焊接性时, 应用较广 泛的碳当量公式主要有国际焊接学会( IIW ) 所推荐的公式和日本 J IS 标准规定 的公式。 60 年代以后, 人们为改进钢的性能和焊接性, 大力发展了低碳微量多合金 之类的低合金高强度钢, 同时又提出了许多新的碳当量计算公式。由于各国所采 用的试验方法和钢材的合金体系不尽相同, 所以应搞清楚各国所使用的碳当量 公式的来源、用途及应用范围等, 以免应用不当。 1 国际焊接学会推荐的碳当量

5、公式 CE(IIW): 1 （1） ()/6()/5()/15(%CE IIWCMnCrMo VNiCu=+式中采用 ) (式中的元素符号均表示该元素的质量分数, 下同。) 该式主要适用于中、高强度的非调质低合金高强度钢( Rb=500900MPa。当板 厚小于 20mm,CE(IIW) 0 时, 即有产生裂纹的可能性。 利用(3-1)、(3-2) 两公式可以计算出无裂纹焊缝所需预热温度: （） /6/15/5/4/5/13/150(%)CECMnNiCrMoVCuCo=+ (3-1)、(3-2) 两式适用条件: 扩散氢含量H为 1. 0 5. 0ml/100g; 板厚为 1950 mm; 线

6、能量为 1730 kJ/cm; 化学成分范围同(3) 式。 (3-1)、(3-2) 两式不仅考虑了钢中化学成分的影响, 还考虑到钢板厚度或拘束度, 以及熔敷金属中含氢量, 利用这两式可以计算出防止冷裂纹所需的预热温度。 3. 3 新日铁的碳当量公式 日本新日铁公司近年来为适应工程需要提出的新的碳当量公式: 5 6 ( )/24/16/15/20()/55 CECA CSiMnCuNiCrMoVNbB=+（%） （4） 该 CE 公式是新日铁公司近年提出的, 适用于 w (C) 为 0. 034% 0. 254% 的钢 种, 是目前应用较广、精度较高的碳当量公式。 式中, A (C) 碳的适用系

7、数 A (C)= 0. 75+ 0. 25tgh20(C-0. 12) A (C) 与钢中含碳量的关系见表 1。 表 1 A (C) 与钢中含碳量的关系 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 日本新日铁碳当量(CE)公式、碳的适用系数 A (C)、国际焊接学会碳当量 CE(IIW )公式与碳含量的关系见图 1、图 2。 图 1 日本新日铁 CE 、A (C) 与碳含量的关系 图 2 CE(IIW ) 和新日铁 CE 的对应关系 3 美国推荐的碳当量公式 3.1 计算预热温度的碳当量公式

8、美国金属学会提出的用于计算预热温度的碳当量CE 经验公式: 3 /6/15/4/4/13(%)CECMnNiMoCrCu=+ （5） 当 CE 0. 60% 时, 预热 200 370 。 该式适用于碳钢和低合金高强度钢。 3. 2 评定焊接性的碳当量公式 美国金属学会提出的用于评定淬火碳钢和低合金钢的焊接性的碳当量公式: /6()/5()/15(%)CECMnCrMoVSiNiCu=+ （6） 该式考虑了钢中 Si 的影响, 当 CE 0. 55%,可能既要预热, 又要后热。 3. 3 美国焊接学会(AW S) 提出的碳当量公式: 4 (7) 该 式 适 用 于 碳 钢 和 低 合 金 钢

9、, 适 用 的 化 学 成 分 范 围 如 下:C 0. 49% 的区域, 为难焊区。 4 其它国家推荐的碳当量公式 4. 1 前苏联提出的碳当量公式: 4 /6/3/5/4/15/13/2CECMnCrVMoNiCuP=+ (9) 前苏联用(9) 式计算碳当量, 认为一般低合金高强度钢, 当 CE0. 45% 时, 焊接厚度为 25 mm 以下的钢板可不预热。此外, 他们还从钢的合金元素总含量 和碳当量对钢的焊接性作了评定, 结果见表 3。 表 3 合金元素含量与焊接性的关系 4. 2 捷克采用的碳当量公式: /6/5/15/4/13/2CECMnCrNiMoCuP=+ （10） 当碳当量0

10、. 35% 且 C 0. 22% 时, 碳钢和低合金高强度钢的焊接性良好。 4. 3 英国的碳当量公式 英国迪尔登(D earden) 和奥尼尔(O neill) 为评定热影响区的裂纹而提出的 碳当量公式: 4 /6/15/5/4/5/13/150(%)CECMnNiCrMoVCuCo=+(11) 该式适用于下列化学成分范围的钢材: C 0.1%0.30%；Mn 0.26%1.56%；Ni 05.38%；Cr 01.73%;Mo 0 0.64%;Cu 00.65%;V0.14%;Co 23%. 为了获得良好的焊接热影响区应将碳当量限制在 45% 内。 一般可用碳当量预测某种钢种的焊接性,表 4

11、 给出了碳当量公式中合金元素及系 数的关系, 通过碳当量的计算可以看出, 当碳当量增加时, 钢材的淬硬倾向增大, 硬度增加, 这时钢材焊接热影响区就容易产生冷裂纹。 表 4 碳当量公式中合金元素对应的系数 用上述的碳当量公式评定钢的焊接性时, 大致有以下几种类型: 第 类只考 虑到钢中化学成分的影响, 根据碳当量数值的大小, 确定是否需要预热或预热温 度范围; 第 类除考虑到化学成分外, 还考虑了熔敷金属扩散氢含量、试板的厚 度或拘束度等因素, 然后再计算防止开裂的预热温度; 第. 类是根据碳当量和含 碳量的大小把钢的焊接性划分为可焊、易焊和难焊 3 个区域, 这 3 个区分别 有不同的施焊要

12、求, 如对预热等的要求也不同。 参考文献 1 斯重遥等. 焊接手册(第二卷). 北京: 机械工业出版社, 1992. 59 65 2 铃木春义. 钢材的焊接裂纹. 梁桂芳译. 北京: 机械工业出版社, 1981 3 金属手册(第六卷). 第九版. 北京: 机械工业出版社, 1994 4 吴世初. 金属可焊试验方法. 上海: 上海科技文献出版社, 1982. 327 328 5 付积和, 孙玉林. 焊接数据资料手册. 北京: 机械工业出版社, 1994. 12 14 6 Yu rioka N , et al. W eldingJou rnal, 1983, 62(6): 1475 1535 曹良裕: 男, 59 岁, 高级工程师, 主要从事焊接材料与工艺的研究。