材料开发与应用
DEVELOPMENT AND
APPLICATION OF MATERIALS
1999年 第14卷 第1期 Vol.14 No.1 1999
钢的碳当量公式及其在焊接中的应用
曹良裕　魏战江
摘　要  介绍了目前世界各国常用的碳当量公式及其适用的钢种、强度级别、化学成分范围及应用判据。
关键词  碳当量　焊接裂纹　低合金高强度钢
  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JIS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公式CE(IIW)：［1］
　CE(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+             
(Ni+Cu)/15　(%)                (1)  (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(σb=500～900 MPa。当板厚小于20 mm，CE(IIW)＜0.40%时，钢材淬硬倾向不大，焊接性良好，不需预热；CE (IIW)=0.40%～0.60%，特别当大于0.5%时，钢材易于淬硬，焊接前需预热。
2　日本推荐的碳当量公式
2.1　日本JIS和WES标准规定的碳当量公式：［2］
Ceq(JIS)=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+            　
Mo/4+V/14　(%)                (2)
  该式主要适用于低碳调质的低合金高强度钢(σb=500～1000 MPa)。
  当板厚小于25 mm，手工焊线能量为17 kJ/cm时，确定的预热温度大致如下：
钢材σb=500 MPa,　Ceq(JIS)≈0.46%,　不预热
  σb=600 MPa,　Ceq(JIS)≈0.52%,　预热75 ℃
  σb=700 MPa,　Ceq(JIS)≈0.52%,　预热100 ℃
  σb=800 MPa,　Ceq(JIS)≈0.62%,　预热150 ℃
  (1)、(2)式均适用于含碳量偏高的钢种(C≥0.18%)，即C≤0.20%;Si≤0.55%;
Mn≤1.5%;Cu≤0.50%;Ni≤2.5%;Cr≤1.25%;Mo≤0.70%;V≤0.1%;B≤0.006%。
2.2　P cm公式
  日本伊藤等人进行了大量试验后，提出了冷裂敏感指数(P cm)的计算公式：
P cm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+           
Mo/15+V/10+5B　(%)              　(3)
  该式适用于C=0.07%～0.22%,σb=400～1000 MPa的低合金高强度钢。
  适用化学成分范围：C 0.07%～0.22%;Si 0～0.60%;Mn 0.40%～1.40%;Cu 0～0.50%;Ni 0～1.20%;Cr 0～1.20%;Mo 0～0.70%;V 0～0.12%;Nb 0～0.04%;Ti 0～0.05%;B 0～0.005%。  　伊藤等又根据P cm、板厚h或拘束度(R)，建立了冷裂敏感性(P w)、冷裂敏感指数(P cm)及防止冷裂所需要的预热温度的计算公式：
P w=Pcm+［H］/60+h/600          (3-1)
或P w=Pcm+［H］/60+R/40000        　(3-2)
式中，　［H］熔敷金属中扩散氢含量(ml/100g，甘油法)
    　R接缝拉伸拘束度(kg/mm．mm)
    　h板厚(mm)
    　P cm冷裂敏感指数
  当P w＞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：
T0=1440P w-392　(℃)
  (3-1)、(3-2)两式适用条件：扩散氢含量［H］为1.0～5.0 ml/100g；板厚为19～50 mm；线能量为17～30 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］
CE=C+A(C)｛Si/24+Mn/16+Cu/15+          　
Ni/20+(Cr+Mo+V+Nb)/5+5B｝　(%)        　(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)碳的适用系数
  　A(C)=0.75+0.25tgh［20(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 0.200.26
A(C)0.500.5840.7540.9160.980.99
  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
  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］
CE=C+Mn/6+Ni/15+Mo/4+Cr/4+          　
Cu/13　(%)              　(5)  当CE＜0.45%时，可不预热；当CE在0.45%～0.60%之间时，预热100～200 ℃；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：
CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+           
(Si+Ni+Cu)/15　(%)            (6)  该式考虑了钢中Si的影响，当CE＜0.35%时，通常不需预热和后热；当CE在0.35%～0.55%之间时，一般需预热；当CE＞0.55%时，可能既要预热，又要后热。
3.3　美国焊接学会(AWS)提出的碳当量公式：［4］
CE=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+          　
Mo/4+Cu/13+P/2　(%)            (7)  该式适用于碳钢和低合金钢，适用的化学成分范围如下：C＜0.60%;Mn＜1.6%;Ni ＜3.3%;Cr＜1.0%;Mo＜0.6%;Cu 0.50%～1.0%;P 0.05%～0.15%(当Cu＜0.50%和P＜0.05%时可不计)。
  碳当量及所对应的板厚的焊接性和施焊条件分别见图3和表2。
表2　钢的焊接性与施焊条件
焊接性分类普通酸性焊条低氢焊条消除应力敲击处理
Ⅰ优良不需预热不需预热不需不需
Ⅱ较好预热40～100 ℃-10 ℃以上不需预热任意任意
Ⅲ尚好预热150 ℃预热40～100 ℃希望希望
Ⅳ难焊预热150～200 ℃预热100 ℃必要希望
图3　焊接性与板厚、碳当量的关系
  由图3可查得Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类钢的最佳施焊条件。
3.4　美国海军的碳当量公式
为什么不建议年轻人做碳14  美国海军船体结构钢用低合金高强度钢碳当量公式：［6］
CE=C+(Mn+Si)/6+(Cr+Mo+V)/5+            　
(Ni+Cu)/15　(%)              　(8)  碳当量、碳含量与钢的冷裂敏感性的关系见图4。