鋼的碳當量就是把鋼中包括碳在內的對淬硬、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的估算，可以初步衡量低合金高強度鋼冷裂敏感性的高低，這對焊接工藝條件如預熱、焊後熱處理、線能量等的確定具有重要的指導作用。
50年代初，當時鋼的強化主要采用碳錳，在預測鋼的焊接性時，應用較廣泛的碳當量公式主要有國際焊接學會(IIW)所推薦的公式和日本JIS標準規定的公式。
60年代以後，人們為改進鋼的性能和焊接性，大力發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。
由於各國所采用的試驗方法和鋼材的合金體係不盡相同，所以應搞清楚各國所使用的碳當量公式的來源、用途及應用範圍等，以免應用不當。
1 國際焊接學會推薦的碳當量公式CE(IIW)：［1］
CE(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+
(Ni+Cu)/15 (%) (1)
(式中的元素符號均表示該元素的質量分數，下同。)
該式主要適用於中、高強度的非調質低合金高強度鋼(σb=500～900 MPa。當板厚小於20 mm，CE(IIW)＜0.40%時，鋼材淬硬傾向不大，焊接性良好，不需預熱；CE(IIW)=0.40%～0.60%，特別當大於0.5%時，鋼材易於淬硬，焊接前需預熱。
2 日本推薦的碳當量公式
2.1 日本JIS和WES標準規定的碳當量公式：［2］
Ceq(JIS)=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+
Mo/4+V/14 (%) (2)
該式主要適用於低碳調質的低合金高強度鋼(σb=500～1000 MPa)。
當板厚小於25 mm，手工焊線能量為17 kJ/cm時，確定的預熱溫度大致如下：
鋼材σb=500 MPa, Ceq(JIS)≈0.46%, 不預熱
σb=600 MPa, Ceq(JIS)≈0.52%, 預熱75 ℃
σb=700 MPa, Ceq(JIS)≈0.52%, 預熱100 ℃
σb=800 MPa, Ceq(JIS)≈0.62%, 預熱150 ℃
(1)、(2)式均適用於含碳量偏高的鋼種(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 Pcm公式
日本伊藤等人進行了大量試驗後，提出了冷裂敏感指數(Pcm)的計算公式：
Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+
Mo/15+V/10+5B (%) (3)
該式適用於C=0.07%～0.22%,σb=400～1000 MPa的低合金高強度鋼。
適用化學成分範圍：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%。
伊藤等又根據Pcm、板厚h或拘束度(R)，建立了冷裂敏感性(Pw)、冷裂敏感指數(Pcm)及防止冷裂所需要的預熱溫度的計算公式：
Pw=Pcm+［H］/60+h/600 (3-1)
或Pw=Pcm+［H］/60+R/40000 (3-2)
式中， ［H］熔敷金屬中擴散氫含量(ml/100g，甘油法)
R接縫拉伸拘束度(kg/mm．mm)
h板厚(mm)
Pcm冷裂敏感指數
當Pw＞0時，即有產生裂紋的可能性。
利用(3-1)、(3-2)兩公式可以計算出無裂紋焊縫所需預熱溫度：
T0=1440Pw-392 (℃)
(3-1)、(3-2)兩式適用條件：擴散氫含量［H］為1.0～5.0 ml/100g；板厚為19～50 mm；線能量為17～30 kJ/cm；化學成分範圍同(3)式。
(3-1)、(3-2)兩式不僅考慮了鋼中化學成分的影響，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熱溫度。
3.3 新日鐵的碳當量公式
日本新日鐵公司近年來為適應工程需要提出的新的碳當量公式：［5～6］
CE=C+A(C)｛Si/24+Mn/16+Cu/15+
Ni/20+(Cr+Mo+V+Nb)/5+5B｝ (%) (4)
該CE公式是新日鐵公司近年提出的，適用於w(C)為0.034%～0.254%的鋼種，是目前應用較廣、精度較高的碳當量公式。
式中， A(C)碳的適用係數
A(C)=0.75+0.25tgh［20(C-0.12)］
A(C)與鋼中含碳量的關係見表1。
表1 A(C)與鋼中含碳量的關係
|
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、碳的適用係數A(C)、國際焊接學會碳當量CE(IIW)公式與碳含量的關係見圖1、圖2。 |
|
圖2 CE(IIW)和新日鐵CE的對應關係
3 美國推薦的碳當量公式
3.1 計算預熱溫度的碳當量公式
美國金屬學會提出的用於計算預熱溫度的碳當量CE經驗公式：［3］
CE=C+Mn/6+Ni/15+Mo/4+Cr/4+
Cu/13 (%) (5)
當CE＜0.45%時，可不預熱；當CE在0.45%～0.60%之間時，預熱100～200 ℃；當CE＞0.60%時，預熱200～370℃。
該式適用於碳鋼和低合金高強度鋼。
3.2 評定焊接性的碳當量公式
美國金屬學會提出的用於評定淬火碳鋼和低合金鋼的焊接性的碳當量公式：
CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+
(Si+Ni+Cu)/15 (%) (6)
該式考慮了鋼中Si的影響，當CE＜0.35%時，通常不需預熱和後熱；當CE在0.35%～0.55%之間時，一般需預熱；當CE＞0.55%時，可能既要預熱，又要後熱。
3.3 美國焊接學會(AWS)提出的碳當量公式：［4］
CE=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+
Mo/4+Cu/13+P/2 (%) (7)
該式適用於碳鋼和低合金鋼，適用的化學成分範圍如下：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%(當Cu＜0.50%和P＜0.05%時可不計)。
碳當量及所對應的板厚的焊接性和施焊條件分別見圖3和表2。
表2 鋼的焊接性與施焊條件
|
|
焊接性分類 |
普通酸性焊條 |
低氫焊條 |
消除應力 |
敲擊處理 |
|
Ⅰ優良 |
不需預熱 |
不需預熱 |
不需 |
不需 |
|
Ⅱ較好 |
預熱40～100 ℃ |
-10 ℃以上不需預熱 |
任意 |
任意 |
|
Ⅲ尚好 |
預熱150 ℃ |
預熱40～100 ℃ |
希望 |
希望 |
|
Ⅳ難焊 |
預熱150～200 ℃ |
預熱100 ℃ |
必要 |
希望 |
|
圖3 焊接性與板厚、碳當量的關係
由圖3可查得Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類鋼的最佳施焊條件。
3.4 美國海軍的碳當量公式
美國海軍船體結構鋼用低合金高強度鋼碳當量公式：［6］
CE=C+(Mn+Si)/6+(Cr+Mo+V)/5+
(Ni+Cu)/15 (%) (8)
碳當量、碳含量與鋼的冷裂敏感性的關係見圖4。
|
|
圖4 碳當量、含碳量與冷裂敏感性的關係
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(Ⅰ區)、可焊區(Ⅱ區)和難焊區(Ⅲ區)3個區域，含碳量為0.10%～0.12%以下的區域，為易焊區，含碳大於0.10%～0.12%，且碳當量CE＜0.49%的區域，為可焊區，含碳量大於0.10%～0.12%，碳當量CE＞0.49%的區域，為難焊區。
4 其它國家推薦的碳當量公式
4.1 前蘇聯提出的碳當量公式：［4］
CE=C+Mn/6+Cr/3+V/5+Mo/4+
Ni/15+Cu/13+P/2 (%) (9)
前蘇聯用(9)式計算碳當量，認為一般低合金高強度鋼，當CE≤0.45%時，焊接厚度為25 mm以下的鋼板可不預熱。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，結果見表3。
表3 合金元素含量與焊接性的關係 |
|
w(Mn+Si+Cr+Mo)/% |
w(C)/% |
焊接性 |
|
＜1% |
＜0.25
0.25～0.35
0.35～0.45
＞0.45 |
優良
較好
尚可
不良 |
|
1%～3% |
＜0.20
0.20～0.30
0.30～0.40
＞0.40 |
優良
較好
尚可
不良 |
|
＞0.30% |
＜0.18
0.18～0.28
0.28～0.38
＞0.38 |
優良
較好
尚可
不良 |
4.2 捷克采用的碳當量公式：
CE=C+Mn/6+Cr/5+Ni/15+Mo/4+
Cu/13+P/2 (%) (10)
當碳當量≤0.35%且C≤0.22%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(Dearden)和奧尼爾(Oneill)為評定熱影響區的裂紋而提出的碳當量公式：［4］
CE=C+Mn/6+Ni/15+Cr/5+Mo/4+
V/5+Cu/13+Co/150 (%) (11)
該式適用於下列化學成分範圍的鋼材：
C 0.1%～0.30%；Mn 0.26%～1.56%；Ni 0～5.38%;Cr 0～1.73%;Mo 0～0.64%;Cu 0～0.65%;V≤0.14%;Co 2.3%.
為了獲得良好的焊接熱影響區，應將碳當量限製在0.45%內。
一般可用碳當量預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係數的關係，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，這時鋼材焊接熱影響區就容易產生冷裂紋。
表4 碳當量公式中合金元素對應的係數
|
|
碳當量公式 |
合金元素 |
|
C |
Mn |
Si |
Cr |
Ni |
Mo |
V |
Cu |
B |
P |
Co |
Nb |
|
CE(IIW) |
1 |
1/6 |
- |
1/5 |
1/15 |
1/5 |
1/5 |
1/15 |
- |
- |
- |
- |
|
Ceq(JIS、WES) |
1 |
1/6 |
1/24 |
1/5 |
1/40 |
1/4 |
1/14 |
- |
- |
- |
- |
|
|
CE(AWS) |
1 |
1/6 |
- |
1/4 |
1/15 |
1/4 |
- |
1/13 |
- |
1/2 |
- |
- |
|
CE(美，預熱) |
1 |
1/6 |
- |
1/4 |
1/15 |
1/4 |
- |
1/13 |
- |
- |
- |
- |
|
CE(美，焊接性) |
1 |
1/6 |
1/15 |
1/5 |
1/15 |
1/5 |
1/5 |
1/15 |
- |
- |
- |
- |
|
CE(英) |
1 |
1/6 |
- |
1/5 |
1/15 |
1/4 |
1/5 |
1/13 |
- |
- |
1/150 |
- |
|
CE(俄) |
1 |
1/6 |
- |
1/3 |
1/15 |
1/4 |
1/5 |
1/13 |
- |
1/2 |
- |
- |
|
CE(捷) |
1 |
1/6 |
- |
1/5 |
1/15 |
1/4 |
- |
1/13 |
- |
1/2 |
- |
- |
|
CE(美，海軍) |
1 |
1/6 |
1/6 |
1/5 |
1/15 |
1/5 |
1/5 |
1/15 |
- |
- |
- |
- |
|
CE(新日鐵) |
1 |
1/16* |
1/24* |
1/5* |
1/20* |
1/5* |
1/5* |
1/15* |
5* |
- |
- |
1/5* |
|
注：*表示乘以A(C)。
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Ⅰ類隻考慮到鋼中化學成分的影響，根據碳當量數值的大小，確定是否需要預熱或預熱溫度範圍；第Ⅱ類除考慮到化學成分外，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，然後再計算防止開裂的預熱溫度；第Ⅲ類是根據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個區域，這3個區分別有不同的施焊要求，如對預熱等的要求也不同。
曹良裕：男，59歲，高級工程師，主要從事焊接材料與工藝的研究。 |
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