三　碳当量定义及其应用

（一）碳当量定义

钢的碳当量就是把钢中包括碳在内的，对淬硬，冷裂纹及脆化有影响的合金元素含量（质量分数），换算成碳的相当含量的总和。

（二）碳当量的应用

钢材的焊接性能主要取决钢材的淬透性、回火性和碳的质量分数。在工程焊接过程中，部分HAZ被加热到钢的熔点，其他部分也被加热到Ac3以上或Ac1～Ac3之间；由于钢的导热快，迅速地冷却下来，使HAZ的热循环分别与淬火、正火或回火的热循环相似。若钢的淬透性过高，在HAZ中必然有马氏体形成，而且近熔合线附近的晶粒也将非常粗大，那么，HAZ就有发生脆断的危险。若碳的质量分数高，钢的淬透性提高，使形成的马氏体更脆、更硬；在HAZ中远离熔合线的部分，其综合力学性能也会大大降低。因此，希望钢中能含有某些抗回火软化、回火脆化的合金元素，为了避免接近熔合线部分晶粒因受高温而过于粗化，也希望钢中含有一些细化晶粒的合金元素。

因此，在我国采用碳当量估算公式，计算碳当量来评估合金元素对钢材焊接性能的影响。

1.应用碳当量估算公式评价钢材焊接性能

钢材的化学成分对焊接热影响区的淬硬及冷裂倾向有直接影响，因此可以用化学成分来分析其冷裂敏感性。钢材中的各种元素，碳对淬硬及冷裂影响最显著，所以人们将钢材中各种元素的作用按照相当于若干含碳量折合并叠加起来，求得所谓的碳当量（CE或Ceq），以CE或Ceq值的大小估计冷裂纹倾向的大小，认为Ceq值越小，钢材的焊接性能越好。

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

焊接碳当量Ceq（Cd）与钢材HAZ的最高硬度之间存在一定的关系，一般情况下材料硬度越高，HAZ的硬度越高；特别是加入微合金元素的非调质钢表现更为明显。实践证明：加入合金元素较多，碳当量增大，HAZ硬度增加，那么出现裂纹可能性也就越大。

然而，高强钢的碳当量却不尽然。高强度合金钢的焊接裂纹是由HAZ组织，焊缝金属氢的质量分数以及结构件外部的约束等因素综合作用造成的，而HAZ的最高硬度主要反映钢材的组织、化学成分和焊接区冷却速度的影响。因此，单纯以HAZ的硬度及高强钢的碳当量来评价焊接裂纹出现的可能性，往往做不出正确的判断。焊接裂纹试验结果也表明，焊接碳当量和焊接裂纹出现率之间，没有明显的规律性。

由此可知，焊接碳当量只能用来粗略估计合金钢的焊接性能。对钢材焊接性能准确评价，必须进行一系列焊接性能试验，根据试验结果才能做出切实可行的焊接工艺。

钢材的碳当量计算公式及其应用：

（1）几种较常用的CE及Ceq公式

几种较常用的CE及Ceq公式见表1.21。

①国际焊接学会（IIW）。

表1.21中公式适用于中、高强度的非调质低合金高强钢。CE<0.4％时，焊接厚度小于20mm的板可以不预热。CE（IIW）=0.4％～0.6％，尤其是大于0.5％时，钢材易淬硬，说明焊接性已变差，焊时需预热才能防止焊接裂纹，随着板厚增大，预热温度要相应提高。

②日本JIS标准。

使用日本JIS标准的碳当量公式时，除需考虑板厚因素外，还必须同时考虑钢材的强度级别。当板厚小于25mm，采用焊条电弧焊接（热输入为17kJ/cm）时，规定了不产生裂纹的碳当量界限和相应的预热措施，见表1.22。

当使用美国焊接学会推荐的碳当量公式时，需根据计算出来某钢材的碳当量，再结合焊接的厚度，从图1.33中查出该钢材的焊接优劣等级，再从表1.23中确定不同焊接性钢材的最佳焊接条件。

（2）焊接冷裂纹敏感指数

除前述碳当量外，焊缝含氢量和接头拘束度都对冷裂倾向有很大影响。因此，日本伊藤等人采用Y形铁研试验对200多不同成分的钢材、不同的厚度及不同的焊缝含氢量进行试验，提出了化学成分、扩散氢和拘束度（或板厚）所建立的冷裂纹敏感指数等数据（公式），并用冷裂纹敏感性指数去确定防止冷裂纹所需的焊前预热温度。表1.24列出了这些数据及确定相应预热温度的计算公式。

注：表中Pcm为冷裂纹敏感系数（％）。（GB/T 3965测氢法）中：［H］为熔敷金属中扩散氢含量，mL/100g；δ为被焊金属的板厚，mm；R为拘束度，N/mm·mm；为有效扩散氢，mL/100g；λ为有效系数（低氢型焊条λ=0.6，D=［H］；酸性焊条λ=0.48，H'D=［H］/2）。

Pc计算式为：

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——焊缝中扩散氢含量，mL/100g。

此式适用条件：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。

用急冷法测定焊缝金属的含氢量：

H=1.0～5.0mL/100g

用焊接裂纹敏感指数Pc处理焊接裂纹试验结果，其数据比较集中，较之前述的碳当量概念规律性更强、更可靠。

在不同的预热温度下（50℃、100℃和150℃），进行Y形坡口拘束焊接裂纹试验可知，焊接敏感指数Pc和预热温度有关。当预热温度To符合下述要求时，则不会出现焊接裂纹：求得Pc后，利用下式即可求出斜y坡口对接裂纹试验条件下，为防止冷裂所需要的最低预热温度To（℃）。

To=1440Pc-392（℃）

根据此式可以初步估计高强度合金钢所需的焊接预热温度，作为确定其焊接工艺规范时的参考。钢材焊接裂纹敏感指数Pc的计算也可以改写为：

Pc=Pcm+α　　（1.11）

式中　α——系数；

Pcm——焊接裂纹敏感性组成，其实质就是前文所述的碳当量。

Pcm公式如下：

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

近年来，日本焊接学会对焊接裂纹敏感指数Pc进行了讨论研究，认为用来判断钢材是否出现焊接裂纹是可行的，拟在规范中列入“焊接结构用高强度钢的焊接裂纹敏感性规定”。按照在高强度合金钢中不出现焊接裂纹的要求，对各种强度级别的高强度合金钢制订了不同的Pc、Pcm和α的规定值，国外学者也做了大量工作，如表1.25和表1.26所示。

注：表中数据按下述条件制订：①焊接裂纹=0；②钢板厚度<50mm、45～63HW、H=2.0mL/100g；③70～90HW，H=1.41mL/100g。

注：AR：热轧；N：正火；NR：正火轧制；T：回火；Q：淬火；TMCP：温度-形变控轧控冷。参考标准为GB/T 19879—2005。

在工程实践中，可参考表1.25的参数，不过，由于我国基础工业水平和检验、检测手段不够精准和普及，使用上述理论尚存在一些不足和缺憾。

2.应用碳当量公式估算钢材的强度

建筑钢结构焊接工程中，首先要了解工程所用钢材的强度，一般说来，化学成分分析时间短，准确度高，这就为我们应用碳当量估算钢材强度提供了极大方便。

钢材一般在正火（或退火）状态下具有铁素体+珠光体组织。此时，合金元素首先对铁素体起固溶强化作用。硅、锰有较大的固溶强化作用，而硅和锰的资源丰富，因而是强化铁素体最常用的元素。

通常用碳当量来估算合金元素对钢强度性能的影响，对于强度级别在400～700MPa范围内的正火（或退火）状态下的合金钢，其合金元素的碳当量公式为：

屈服极限（σs、Re）碳当量：

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

屈服极限估算公式：

Ceq（σs）=（375×CeqCs+168）±40MPa　　（1.13）

强度极限（σs、Rm）碳当量：

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

强度极限估算公式：

σb=（610×CeqCb+243）±35MPa　　（1.15）

延伸率（δ）碳当量：

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）

不可否认，上述碳当量和钢材强度、塑性的估算公式会给我们的工作带来极大方便。但是，上述公式只能近似的估算合金钢的性能。当上述各碳当量在0.7以下时，两者比较符合，结果比较准确；当碳当量超过0.7时，则差别较大。因此，在要求精准的场合，必须进行力学性能试验。不过，仅仅对焊接而言，计算的数据是具有参考应用价值的。

3.推荐参考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为：

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

该CE公式是新日铁公司近年提出的，适用于C为0.034％～0.254％的钢种，是目前应用精度较高的碳当量公式之一。

式中，A（C）为碳的适用系数。

A（C）与钢中含碳量的关系见表1.27。

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1.34、图1.35。

该式精度较高，在研究工作中不妨一试。

4.工程案例

应用碳当量公式复核计算预热温度

Q460E-Z35焊接性试验研究方案：

（1）研究技术路线

①调查研究、搜集整理国内外对Q460E-Z35厚板的研究成果资料及工程实际应用情况，跟踪本课题技术领域国内外发展的动向，确保本项目研究的先进性和实用性。

②利用国内舞阳钢铁有限公司现有设备，通过成分设计及工艺控制措施，试生产出能够满足国家体育场钢结构工程用钢需求的Q460E-Z35级钢材。

③通过热切割、热矫正、焊接性试验和刚性接头试验等系列试验，对试生产的Q460E-Z35级钢材的焊接性进行系统研究，总结出一套适合Q460E-Z35厚板的热切割、热矫正及焊接技术，为国家体育场钢结构工程Q460E-Z35厚板的热切割、热矫正及焊接提供指导性意见。

④结合焊接性的研究成果，通过一系列焊接工艺评定试验，总结出一套适用于国家体育场钢结构工程Q460E-Z35厚板的焊接工艺参数，以指导国家体育场钢结构工程Q460E-Z35厚板焊接施工。

（2）焊接冷裂纹敏感性试验（确定预热温度）

①碳当量。

采用国际焊接学会（IIW）推荐的钢碳当量公式计算：

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

碳当量越高，则淬硬和冷裂倾向越大，焊接性就越差。一般认为，Ceq<0.4％者为焊接性良好；Ceq=0.4％～0.5％者，焊接性稍差，焊接时要采取适当的预热措施；Ceq>0.5％者为焊接性不好，必须采取有效的工艺措施才能防止冷裂发生。按照试验钢板的成分（实际复验值），用以上公式计算，其Ceq为0.47％>0.4％。因此，Q460E-Z35有产生焊接冷裂纹的倾向，在焊接时应采取适当的预热措施。

②斜y坡口焊接裂纹试验。

斜y坡口焊接裂纹试验（小铁研）主要是评定焊接热影响区及焊缝金属产生冷裂纹的倾向性。试验按照GB 4975.1《斜y坡口焊接裂纹实验方法》的规定进行。

试验焊缝结束，经48h后，进行表面裂纹检查，每块均经发蓝处理后进行解剖观察断面裂纹状况，确定150℃为厚度110mm的Q460E-Z35钢焊接预热温度。

（3）Q460E-Z35+GS205MnV焊接接头的焊接预热温度复核

焊前预热的作用：延长焊缝金属从峰值温度降到室温的冷却时间，使焊缝中的扩散氢有充分的时间溢出，避免冷裂纹的产生，延长焊接接头从800～500℃的冷却时间，改善焊缝金属及热影响区的显微组织，使热影响区的最高硬度降低，提高焊接接头的抗裂性。

国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程，通过一系列试验，特别是斜y试验，选择150℃为厚度110mm的Q460E-Z35钢焊接预热温度。包括Q460E-Z35+GS205MnV异种钢焊接仍然采用此预热温度。

为了谨慎起见，仍然应用其他碳当量公式对异种钢焊接预热温度进行复核。

预热温度的复核如下：

采用《现代焊接技术手册》（曾乐）第696页介绍的估算预热温度公式进行估算：

［C］化=C+Mn/9+Cr/9+Ni/18+Mo/13（化学成分影响的碳当量）　　（1.20）

考虑厚度因素，用厚度碳当量计算

［C］厚=0.005δ［C］化（板厚影响的碳当量）　　（1.21）

总的碳当量公式

［C］总=［C］厚+［C］化　　（1.22）

焊接预热温度可根据经验公式计算：

T0=350（［C］总-0.25）1/2　　（1.23）

Q460E-Z35（110mm）与GS-20Mn5V（100mm）的预热温度的确定见表1.28。

注：GS-20Mn5V的化学成分均取平均值。

根据异种钢焊接时，预热温度应以预热温度高的钢材一侧为最低预热温度，故焊接前预热温度选取≥150℃，且不超过200℃。