焊接用碳当量计算

碳当量测量什么——以及它不测量什么

从元素组成到等效碳值

碳当量（CE）是一种计算得到的成分指数。它不是通过拉伸试验、硬度试验或化学分析仪器测得的材料性质。实验室首先确定钢材的元素组成；随后选用某个方程，将这些元素的质量百分数换算成一个单一数值，用于近似表示合金元素对淬硬性和焊接风险的综合影响。

碳之所以具有最高的系数，是因为它会直接且显著地影响钢的相变行为，以及奥氏体快速冷却时可能形成的硬度。碳还会影响焊接热影响区（HAZ）中可用于形成硬质相变产物（包括马氏体）的碳含量。其他元素的贡献并不相同。因此，锰和硅、铬和钼及钒，以及镍和铜分别以分组项的形式出现，并在国际焊接学会方程中使用不同的除数：

CEIIW = C + (Mn + Si)/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15

AWS D8.10M:2021 规定了这一方程，并将碳当量描述为焊接性指南，而不是绝对参数。该公式通常通过代入以质量百分数表示的元素含量来应用。其中的系数是经验近似值，并非普适的物理常数。它们将相变动力学和合金元素相互作用等复杂影响压缩为一个便于使用的指数。

CEIIW 系数CEq 系数Pcm 系数CET 系数

这种压缩正是公式存在差异的原因。对于 AWS 于 2007 年发布的热轧钢材指南，CE 表达式为 C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15，而相应的 Pcm 表达式为 C + Si/30 + (Mn + Cu + Cr)/20 + Ni/60 + Mo/15 + V/10 + 5B。CET 表达式为 C + Mn/10 + Mo/10 + Cr/20 + Cu/20 + Ni/40。这些方程对硅的处理方式不同；Pcm 中明确列出硼，是因为即使加入少量硼，也可能显著影响淬硬性。

这些并非可以相互替代的评分。TWI 将 CEIIW、Pcm、CEq 和 CEN 列为氢致开裂评估中使用的公式体系；每种公式都是针对特定钢材群体或评估方法开发的。Pcm 主要是为现代低碳钢开发的，这类钢的碳含量约为 0.11 wt% 或更低。在这一背景之外应用 Pcm，即使算术计算正确，也可能改变结果的含义。材料分组则是另一回事：ISO 15608:2025 规定了用于焊接目的、对钢材及其他金属材料族进行分组的统一体系；材料组别 designation 不能取代碳当量计算。

为什么 CE 是焊接性指标，而不是合格/不合格性质

CE 值只能回答一个有限的问题：在相关的焊接热循环下，所述成分可能在多大程度上促进硬化？它不能回答某一具体接头是否会开裂、某项焊接工艺是否合格，或某种钢材是否自动符合某项施工规范。

碳当量值应为焊接决策提供指导，但不能单独作为合格或不合格的判定标准。 Strong evidence

AWS D8.10M:2021 明确指出了这一核心限制：CE 是指南，而不是绝对参数。数值结果可以支持工艺选择、不同炉次之间的比较，以及预热或氢控制方面的决策，但不能单独作为合格/不合格判据。两种 CE 相同的钢材，其响应可能不同，因为它们的合金平衡、板厚、先前的加工过程、晶粒组织和实际碳分布可能存在差异。反过来，CE 值不同的钢材，也可能在针对各自风险制定的工艺下实现安全焊接。

焊接决策还取决于接头拘束、热输入、层间温度、焊接材料和表面的氢含量、冷却条件、环境温度、厚度以及是否进行焊后热处理。AWS 关于碳钢和低合金钢的指南将化学成分和淬硬性均列为焊接性考量因素，而不是用来替代完整的焊接工艺规程或工艺评定记录。

阈值只有在其规定的应用范围内才具有意义。例如，TWI 关于 NACE 硬度要求的 2024 年指南指出，在碳含量超过 0.18 wt% 时，为控制硬质 HAZ，建议碳当量限值低于 0.43；对于厚度超过 1 英寸的部件，建议限值为 0.45。这些数值不应被重新解释为适用于所有钢材牌号、厚度、服役环境或焊接工艺的普遍限值。

淬硬性、热影响区与开裂之间的关系

焊接过程中，HAZ 会被加热到相变温度以上，随后冷却。淬硬性较高的成分在冷却速度足够快时可能形成更硬的显微组织，尤其是在靠近熔合线的粗晶区。相关危险并不只是硬度本身。硬质 HAZ 对扩散氢和局部应力的容忍度较低，因此可能形成延迟氢致开裂的条件。

可扩散氢可扩散氢 在焊接期间及焊接后能够在焊缝金属和邻近钢材中移动，并可能在受应力区域或缺陷区域聚集的氢。

氢致开裂通常需要扩散氢、易产生开裂的硬质显微组织，以及拉应力或拘束三者共同作用。CE 主要通过指示淬硬性，间接涉及其中的第二个因素。它不测量氢含量，不量化拘束程度，不预测接头各处的冷却速度，也不确定最终 HAZ 硬度。因此，较高的 CE 可以提示应更加重视预热、层间控制、低氢操作和热输入，但不能预测每一种焊接结果。较低的 CE 值只能降低一种风险因素，并不能消除氢致开裂风险。

因此，实际工作流程应当是先计算成分，再进行工程评估。所选公式必须适合相关钢材和所要作出的决策；随后还必须结合厚度、接头设计、拘束、氢控制、热条件和焊后处理来考虑所得指数。CE 之所以有用，正是因为它能将注意力集中到一种真实存在的冶金风险上。只有在把它当作完整焊接性评估的全部内容时，它才会产生误导。

IIW 碳当量公式：CEIIW

CEIIW 方程及其元素项[1][1] AWS D8.10M:2021. American Welding Society. AWS standard, 2021.

国际焊接学会碳当量通常写作 CEIIW，用于估算多种合金元素对钢淬硬性的综合影响。AWS D8.10M:2021 给出的方程为：

$${\mathrm{CE}}_{\mathrm{IIW}}=C+\frac{\mathrm{Mn}+\mathrm{Si}}{6}+\frac{\mathrm{Cr}+\mathrm{Mo}+V}{5}+\frac{\mathrm{Ni}+\mathrm{Cu}}{15}$$

英国建筑钢结构协会的 D-Range 指南也采用同一方程。在该表达式中，C、Mn、Si、Cr、Mo、V、Ni 和 Cu 分别表示碳、锰、硅、铬、钼、钒、镍和铜的元素含量。通常应以质量百分数输入这些数值，而不是质量分数，也不是原子百分数。

碳作为单独一项出现，因此碳含量每增加一个单位，CEIIW 就直接增加相应数值。锰和硅除以 6；铬、钼和钒除以 5；镍和铜除以 15。这些分母属于经验公式的组成部分，并不是可以根据特定钢种任意改变的换算系数。

淬硬性淬硬性 钢在给定深度或给定冷却条件下形成较硬转变产物的倾向；它不同于硬度本身。

该方程反映了一个冶金学方面的关注点：增加碳含量以及加入许多合金元素通常会提高淬硬性。在焊接过程中，在适当的冷却条件下，淬硬性更高的钢可能形成硬度更高的热影响区。如果同时存在可扩散氢和拘束作用，这一较硬区域可能更容易发生氢致开裂。因此，AWS 关于碳钢和低合金钢的指南将化学成分与淬硬性视为可焊性因素，并将其与焊接工艺及制造条件一并考虑。

CEIIW 并不是唯一的碳当量公式。TWI 将 CEIIW、Pcm、CEq 和 CEN 区分为氢致开裂评估中使用的不同方法。例如，Pcm 主要针对现代低碳钢开发，适用于含碳量约为 0.11 wt% 或更低的钢材。因此，仅仅因为某种公式给出了一个便于使用的数值就选择该公式，可能会产生误导。AWS 焊接指南还给出了 CE、Pcm 和 CET 等相关表达式，而这些表达式对各元素采用了不同的权重。

如何将钢材化学成分代入公式

应使用待评估钢材的炉次分析证书、产品规范或其他受控化学分析结果。化学成分必须对应于所考虑的材料及其产品状态。除非公式和来源明确要求，否则不要代入钢种名称、标称最大值或小数形式的质量分数。

符号计算方法

假设材料证书报告了以下元素的质量百分数：

• 碳：$C=c$
• 锰：$\mathrm{Mn}=m$
• 硅：$\mathrm{Si}=s$
• 铬：$\mathrm{Cr}=r$
• 钼：$\mathrm{Mo}=o$
• 钒：$V=v$
• 镍：$\mathrm{Ni}=n$
• 铜：$\mathrm{Cu}=u$

则计算式写为：

$${\mathrm{CE}}_{\mathrm{IIW}}=c+\frac{m+s}{6}+\frac{r+o+v}{5}+\frac{n+u}{15}$$

首先将锰和硅的质量百分数相加，然后将总和除以 6。再分别将铬、钼和钒相加，并除以 5。最后将镍和铜相加，并除以 15。将三个合金元素组的贡献值加到碳含量上。这样可以保持公式的结构，也更容易发现抄录错误。

在实际计算中，应以实际炉次证书中的数值替代这些符号变量。若报告的碳含量为 0.20 wt%，则应输入 0.20，而不是 20，也不是 0.0020。如果某种元素未列出，应按照适用的材料规范或评估程序处理；对于微量合金元素可能影响结果的情况，擅自假定其含量为零可能不安全。产品标准也可能报告成分范围，而证书则给出特定炉次的分析结果。这两类输入并不相同；如果不加说明，不应将其混用。

材料分组是另一项独立工作。ISO 15608:2025 规定了用于焊接目的的金属材料统一分组体系，其中包括钢材和其他合金类别。因此，一种钢材可能同时具有 ISO 15608 分组代号和计算得到的 CEIIW 值，但分组编号不能替代计算。

解读结果时避免虚假的精确性

CEIIW 结果是基于化学成分的指标，并不是完整的焊接决策依据。AWS D8.10M:2021 将碳当量描述为可焊性指南，而不是绝对参数。将结果报告到小数点后多位，并不会使基础预测更加精确。证书取整、偏析、取样、公式选择以及实际焊接条件，都会限制该数值所能反映的信息。

较高的 CE 通常表示更高的淬硬性以及对焊接工艺进行更严格复核的必要性，但 CE 本身不能预测开裂。 Limited evidence

较高的 CEIIW 通常意味着更高的淬硬性，也意味着需要更加仔细地评估氢控制、预热、层间温度和冷却行为。但 CEIIW 本身并不能规定预热温度，也不能证明一定会发生开裂。该方程并未独立包含板厚、接头拘束、可扩散氢、冷却速率、焊接热输入、环境条件、焊后热处理或特定工艺产生的热循环等因素。

即使两种钢材具有相同的 CEIIW，板厚和拘束条件也可能改变开裂风险。反过来，即使是同一钢种，不同的热输入也可能产生不同的热影响区冷却速率。因此，工艺评定必须考虑实际接头、焊材中的氢含量、焊接顺序、预热、层间温度控制以及任何焊后处理。

公开发表的限值也只适用于其明确说明的背景。TWI 报告称，在碳含量超过 0.18 wt% 时，对于关注按照 NACE 要求控制硬质热影响区的指南，建议碳当量低于 0.43；对于厚度超过 1 英寸的部件，该值为 0.45。这些数值并不是适用于所有钢材、厚度或焊接工艺的通用验收限值。CEIIW 可用于比较化学成分，并识别何时需要更严格的工艺控制；但不应将其误认为独立的可焊性评分。

为什么存在多种碳当量公式

碳当量并不是一种通用的可焊性评分。它是根据化学成分估算合金元素如何影响淬硬性以及氢致开裂风险的方法，但每个方程都是针对特定钢种群体、数据集和开裂模型建立的。因此，数值结果不仅取决于熔炼分析，还取决于所选用的方程。

AWS D8.10M:2021 将碳当量描述为可焊性指南，而非绝对参数。这一限定非常重要。碳当量本身不能决定预热温度、层间温度、热输入或焊后处理。氢含量、拘束程度、厚度、冷却速率、接头细节以及所选焊接工艺也会影响结果。

CEIIW、CEq、Pcm 和 CEN

国际焊接学会方程通常记作 CEIIW，广泛用于传统碳钢和低合金钢。AWS D8.10M:2021 给出的公式为：

$${\mathrm{CE}}_{\mathrm{IIW}}=C+\frac{\mathrm{Mn}+\mathrm{Si}}{6}+\frac{\mathrm{Cr}+\mathrm{Mo}+V}{5}+\frac{\mathrm{Ni}+\mathrm{Cu}}{15}$$

各元素的数值均以质量百分数代入。因此，碳、锰、硅、铬、钼、钒、镍和铜的数值必须采用相同的成分表示基础。

在焊接规范和指南中，一个密切相关的表达式通常标记为 CEq，或简称 CE。AWS 关于热轧钢的指南给出：

$$\mathrm{CE}=C+\frac{\mathrm{Mn}}{6}+\frac{\mathrm{Cr}+\mathrm{Mo}+V}{5}+\frac{\mathrm{Ni}+\mathrm{Cu}}{15}$$

该式与 CEIIW 表达式的区别在于对硅的处理：在 CEIIW 中，硅与锰一起出现在分子中；而在上述 CE 表达式中则不包含硅。有些文件将 CEq 作为传统碳当量计算的一般名称，而另一些文件则将其专用于某一特定方程。因此，必须结合其来源理解这一名称，不能将其视为固定的国际定义。

Pcm 和 CEN 源于这样的尝试：与单一传统表达式相比，更贴近地表示不同的钢成分和开裂行为。TWI 对氢致开裂公式的讨论将 CEIIW、Pcm、CEq 和 CEN 区分开来，而不是将它们作为可互换的名称。这一区分反映了它们的历史发展过程。由于这些方程所依据的钢种及实验关系并不相同，因此它们对碳和合金元素赋予了不同的权重。

CEN 是一种对合金元素贡献进行依赖于碳含量处理的碳当量公式。其开发目标是涵盖比与 Pcm 相关的低碳钢群体更宽范围的钢种，同时保留基于成分、与淬硬性和氢致开裂敏感性之间的联系。因此，对于同一炉经认证的钢材，CEIIW、CEq、Pcm 和 CEN 可能得出不同的数值。这并不是计算错误，而是采用不同模型所产生的预期结果。

每个报告值都必须同时注明公式名称。“CE = 0.42”这一表述是不完整的，除非文件明确说明该数值是 CEIIW、CEq、Pcm、CEN 还是其他指定指数。将 IIW 数值与 Pcm 限值进行比较，可能导致无效的焊接决策。

材料分组是另一项独立内容。ISO 15608:2025 规定了用于焊接的金属材料统一分组体系，其中包括钢材及其他合金类别。钢材的 ISO 分组名称不能替代碳当量计算，碳当量数值也不能确定 ISO 15608 分组。

Pcm 的低碳钢适用背景[2][2] What is the difference between the various carbon equivalent formulae used in relation to hydrogen cracking?. TWI. TWI Technical Knowledge, 2024.

据 TWI（2024）介绍，Pcm 主要是针对含碳量约为 0.11 wt% 或更低的现代低碳钢开发的。这一适用性说明应当与公式一并保留。当某种钢的计算当量数值较低时，Pcm 并不会自动成为 CEIIW 的正确替代公式；如果超出其预期成分范围，也不应在没有相关标准或工艺评定指导的情况下使用 Pcm。

AWS 焊接指南给出了以下 Pcm 表达式：

$$\mathrm{Pcm}=C+\frac{\mathrm{Si}}{30}+\frac{\mathrm{Mn}+\mathrm{Cu}+\mathrm{Cr}}{20}+\frac{\mathrm{Ni}}{60}+\frac{\mathrm{Mo}}{15}+\frac{V}{10}+5B$$

其中，$B$ 是以质量百分数表示的硼，硼项是必需项而非可选项。即使硼含量很低，也可能产生可测量的贡献，因为该项要乘以 5。省略这一项将改变所定义的指数。

Pcm 更强调碳，并且对若干合金元素的处理方式不同于 CEIIW。这种构造适用于开发 Pcm 时所针对的低碳微合金钢，但这并不意味着 Pcm 可以普遍替代 IIW 方程。对于含碳量高于约 0.11 wt% 的钢材，工程师应确认所选 Pcm 方法及其限值是否适用于该钢级、产品形态和开裂评定。

CET 作为另一种成分指数

CET 是焊接指南中使用的另一种成分指数：

$$\mathrm{CET}=C+\frac{\mathrm{Mn}}{10}+\frac{\mathrm{Mo}}{10}+\frac{\mathrm{Cr}}{20}+\frac{\mathrm{Cu}}{20}+\frac{\mathrm{Ni}}{40}$$

2007 年发布的 AWS 热轧钢指南将 CET 与 CE 和 Pcm 并列介绍。其系数与另外两者均不同，因此在对同一炉钢材计算这三个方程时，通常会得到三个不同的数值结果。因此，CET 应与针对 CET 制定的限值、图表或工艺规定配套使用，而不应非正式地换算成 CEIIW 或 Pcm 数值。

实际问题并不是哪一个公式得出的数值最小，而是哪一个指数与钢材群体、适用标准和氢致开裂模型相匹配。AWS 指南将化学成分和淬硬性列为碳钢及低合金钢的可焊性考量因素；所形成的焊接工艺还必须控制可扩散氢、拘束程度、厚度、预热温度、层间温度和热输入。在某些应用中，硬度要求还会增加另一项限制。TWI 报告称，在碳含量超过 0.18 wt% 时，为控制硬化的热影响区，其指南建议碳当量限值低于 0.43；对于厚度超过 1 英寸的部件，限值为 0.45。这类限值属于有条件的要求，并不能证明某一种碳当量公式适用于所有钢材或焊缝。

钢材化学成分的计算示例方法

只有在已知公式、化学成分依据和报告约定时，碳当量结果才具有实际意义。AWS D8.10M:2021 将国际焊接学会公式列示为：

$${\mathrm{CE}}_{\mathrm{IIW}}=C+\frac{\mathrm{Mn}+\mathrm{Si}}{6}+\frac{\mathrm{Cr}+\mathrm{Mo}+V}{5}+\frac{\mathrm{Ni}+\mathrm{Cu}}{15}$$

AWS 还指出，碳当量是用于指导焊接性的指标，而不是绝对参数。该结果不能替代焊接工艺评定，也不能单独用于确定预热温度。预热、层间温度、热输入、扩散氢、拘束、厚度以及焊后处理仍然具有重要意义。

从化学分析中读取碳和合金元素含量

首先查阅产品规范和实际化学分析结果。确认所报告的数值属于炉次分析、产品分析还是其他合同约定的分析类型，然后确定所选公式要求的元素。材质检验证书可能将碳、锰、硅、铬、钼、钒、镍、铜和硼分别列为 C、Mn、Si、Cr、Mo、V、Ni、Cu 和 B。应根据证书图例核对这些缩写，而不应仅依据列的位置自行推断。

对于 IIW 公式，应记录碳、锰、硅、铬、钼、钒、镍和铜的含量。任何元素都不应被默默省略。即使某元素的含量很低，它仍会对公式产生贡献；省略某一项可能导致所报告的结果无法复算。硼不属于上述 IIW 表达式，但当所采用的公式包含硼时，必须记录其含量。AWS 给出的 Pcm 表达式为：

$$P_{\mathrm{cm}}=C+\frac{\mathrm{Si}}{30}+\frac{\mathrm{Mn}+\mathrm{Cu}+\mathrm{Cr}}{20}+\frac{\mathrm{Ni}}{60}+\frac{\mathrm{Mo}}{15}+\frac{V}{10}+5B$$

系数 $5B$ 意味着即使硼含量很低，也具有相关性。根据 TWI 对碳当量公式所作的 2024 年比较，Pcm 主要是针对含碳量约为 0.11 wt% 或更低的现代低碳钢开发的。不应仅仅因为它能够得出一个方便的数值，就选择使用 Pcm。

数值必须是以公式要求的依据表示的元素百分含量，通常为质量百分数。证书中 0.18 wt% 的碳含量应代入为 0.18，而不是 18，也不是 0.0018。如果分析结果以质量分数、百万分率或其他单位给出，则必须在计算开始前将所有所需元素统一换算。不得将以 wt% 表示的碳含量与以 ppm 表示的硼含量混合使用。

证书计算是根据所报告的化学成分进行的算术计算结果，不是对焊接性、硬度或开裂敏感性的实验室测量。实验室测定的是材料成分，该结果受到取样和分析不确定度的影响；碳当量则是在此后根据所报告的数值计算得到的。如果证书给出了检出限、范围或“低于”某一数值的结果，计算中应明确说明这一限制，而不应给出缺乏依据的精确数值。

单位规范和算术顺序

在代入数值前，先写出所选公式。这样可以避免将 CEIIW 计算与 Pcm、CEq 或 CET 混淆。AWS 于 2007 年发布的热轧钢焊接指南以相同形式给出了 CEIIW，并同时列出：

$$\mathrm{CET}=C+\frac{\mathrm{Mn}}{10}+\frac{\mathrm{Mo}}{10}+\frac{\mathrm{Cr}}{20}+\frac{\mathrm{Cu}}{20}+\frac{\mathrm{Ni}}{40}$$

这些公式不可相互替换。TWI 指出，CEIIW、Pcm、CEq 和 CEN 是用于氢致开裂评估的不同公式。

作为一个明确的示例，假设某一假想材料的化学成分如下——该材料不是某一指定牌号，数据也不是来源于统计资料——其含量以 wt% 表示：C 0.18、Mn 1.20、Si 0.25、Cr 0.30、Mo 0.10、V 0.05、Ni 0.20 和 Cu 0.25。按分组形式应用 IIW 公式：

$${\mathrm{CE}}_{\mathrm{IIW}}=0.18+\frac{1.20+0.25}{6}+\frac{0.30+0.10+0.05}{5}+\frac{0.20+0.25}{15}$$

示例性 CEIIW 贡献值

首先计算各项贡献值：

$$C=0.1800$$

$$(\mathrm{Mn}+\mathrm{Si})/6=1.45/6=0.2416667$$

$$(\mathrm{Cr}+\mathrm{Mo}+V)/5=0.45/5=0.0900000$$

$$(\mathrm{Ni}+\mathrm{Cu})/15=0.45/15=0.0300000$$

然后将未进行舍入的各项贡献值相加：

$${\mathrm{CE}}_{\mathrm{IIW}}=0.5416667$$

结果保留三位小数时为 CEIIW = 0.542，并应在其旁注明所采用的公式和化学成分依据。分组方式很重要。将锰和硅分别除以 6 在算术上可能得到相同结果，但按照规定的分组书写公式，更便于审核，也不容易因误用分母而产生错误。

舍入、报告和可追溯性

在中间计算步骤中，应保留多于最终报告所需的位数。若在相加前将 1.45/6 舍入为 0.24，显示结果就会发生变化；当包含多个计算项时，反复进行过早舍入的影响会更加明显。实际报告应保留证书规定的精度，在整个计算过程中保留保护位，并仅根据适用规范或项目约定对最终结果进行舍入。

记录应包括炉次或试样标识、来源文件、化学成分数值、单位、所选公式、各项中间贡献值、未舍入结果以及最终舍入结果。如果某个数值是由 ppm 或质量分数换算而来，还应记录换算过程。如果证书中缺少某一元素，应说明该元素是按零处理、按检出限确定范围，还是已退回要求澄清；绝不能隐瞒这一假设。

最后，应将碳当量计算与材料分组分开处理。ISO 15608:2025 为焊接用途的金属材料分组提供了统一体系，其中包括钢材和其他合金材料类别。材料组别 designation 不能替代化学成分计算，CE 结果也不能确定 ISO 15608 组别。二者可以同时出现在焊接记录中，但所回答的问题不同。

热影响区（HAZ）中的碳当量与氢致开裂

碳当量将钢的化学成分与淬硬性联系起来，但其本身不能预测氢致开裂。AWS D8.10M:2021 所采用的国际焊接学会公式为：

$${\mathrm{CE}}_{\mathrm{IIW}}=C+\frac{\mathrm{Mn}+\mathrm{Si}}{6}+\frac{\mathrm{Cr}+\mathrm{Mo}+V}{5}+\frac{\mathrm{Ni}+\mathrm{Cu}}{15}$$

该表达式中的元素数值均为按质量计的成分百分比。通常，计算结果越高，表示淬硬性越强，并且在热影响区（HAZ）形成硬化区域的可能性越大，尤其是在焊接条件导致快速冷却时。AWS 将碳当量描述为焊接性指导指标，而不是绝对参数。这一区别很重要，因为开裂不仅取决于化学成分，还取决于焊接热循环、氢含量和机械拘束。

TWI 将 CEIIW、$P_{\mathrm{cm}}$、CEq 和 CEN 区分为用于氢致开裂评估的不同公式。这些公式对所有钢材群体并不具有相同含义。例如，TWI 表示，$P_{\mathrm{cm}}$ 主要是针对现代低碳钢开发的，其碳含量约为 0.11 wt% 或更低。AWS 指南给出了相关表达式：

$$\mathrm{CE}=C+\frac{\mathrm{Mn}}{6}+\frac{\mathrm{Cr}+\mathrm{Mo}+V}{5}+\frac{\mathrm{Ni}+\mathrm{Cu}}{15}$$

$$P_{\mathrm{cm}}=C+\frac{\mathrm{Si}}{30}+\frac{\mathrm{Mn}+\mathrm{Cu}+\mathrm{Cr}}{20}+\frac{\mathrm{Ni}}{60}+\frac{\mathrm{Mo}}{15}+\frac{V}{10}+5B$$

$$\mathrm{CET}=C+\frac{\mathrm{Mn}}{10}+\frac{\mathrm{Mo}}{10}+\frac{\mathrm{Cr}}{20}+\frac{\mathrm{Cu}}{20}+\frac{\mathrm{Ni}}{40}$$

因此，公式的选择应依据钢材类型、适用标准以及所进行的焊接评定。ISO 15608:2025 对焊接用途的材料进行了分组；该分组体系与碳当量的计算是相互独立的。

氢辅助开裂背后的三个条件

氢辅助开裂需要三个条件同时存在：可扩散氢、易感的硬质或脆性显微组织，以及拉应力或拘束。去除其中任何一个条件，开裂概率都会降低，尽管没有任何单一控制措施能够保证完全不会开裂。

可扩散氢可能来自水分、污染物、受潮焊剂、储存不当的焊条、表面涂层以及其他含氢来源。焊接过程中，一部分氢溶解于熔融金属中，随后在接头冷却时迁移进入 HAZ。氢可能聚集在缺陷、夹杂物、原奥氏体晶界或局部应力较高的区域。相关量并不只是焊接前焊材中的氢，而是能够在焊缝及邻近钢材中扩散的氢。

第二个条件是易感显微组织。硬化的 HAZ 对氢和局部应力的容忍度可能降低，尤其是在其转变产物具有脆性的情况下。第三个条件是拉应力。接头拘束、收缩、残余应力、外加载荷，以及未熔合区域或缺口处的应力集中，都可能为裂纹提供驱动力。较高的 CE 值之所以主要引起关注，是因为它可能提高淬硬性；但它并不能证明存在氢，也不能证明拘束足以导致开裂。

硬质显微组织与冷却速率

HAZ 被加热到转变温度以上，随后以一定速率冷却；该速率受板厚、接头几何形状、热输入、预热、道间温度和周围材料的影响。高淬硬性钢在快速冷却过程中，可能转变为硬质马氏体区域或其他对开裂敏感的区域。相同的化学成分，在较慢的热循环条件下可能形成开裂敏感性较低的 HAZ。

板厚会影响这一热循环，因为厚板或导热性很强的接头可能会迅速带走热量。随着接头尺寸和刚度增加，以及限制构件自由收缩的部件数量增多，接头拘束通常也会增强。热输入会改变 HAZ 的宽度及其冷却行为，但增加热输入并不是普遍适用的补救措施：过大的热输入可能损害韧性、扩大 HAZ，或影响变形和残余应力。焊接工艺必须对这些影响进行平衡，而不能将 CE 当作简单的合格/不合格分数。[3][3] Complying with NACE hardness requirements. TWI. TWI Job Knowledge, 2024.

TWI 关于 NACE 的相关指南说明了数值化 CE 建议的适用范围有限。当碳含量超过 0.18 wt%，且目标是控制硬质 HAZ 时，指南报告的建议碳当量限值低于 0.43；对于厚度超过 1 英寸的构件，该限值低于 0.45。这些数值并不是适用于所有钢材、板厚、服役条件或焊接工艺的通用验收规则，而是属于硬度控制这一特定背景。

预热与氢控制逻辑

预热能够减缓冷却，使可淬硬的 HAZ 有更多时间转变为对开裂敏感性较低的产物，并使氢在接头降至低温之前从高应力区域扩散出去。道间控制则维持各道焊缝之间预定的热循环。作为合格焊接工艺的一部分，这两个温度值都必须明确规定并受到监控，同时应考虑实际板厚、接头拘束、环境条件和钢材的化学成分。

氢控制在引弧之前就已经开始。焊材必须按照适用工艺和制造商的储存要求进行选择和处理；如果忽视干燥、保温或暴露控制，低氢焊条和焊剂也可能吸收水分。接头表面应清除水、油、锈皮、油漆以及其他可能增加氢含量或造成缺陷的污染物。

检验时机同样属于这一逻辑的一部分。氢裂纹可能在焊接后形成，而不是在可见的焊接操作过程中形成，因此，当工艺或适用规范确认存在相关风险时，可能需要进行延迟检验。延迟检验不能替代预热、良好的焊材控制或拘束评估，但能够使后续检查更有机会发现延迟裂纹。

因此，碳当量计算结果只是制定工艺决策的起点。最终评估必须将化学成分与可扩散氢控制、冷却速率、板厚、拘束、热输入、预热、道间温度以及规定的任何焊后处理结合起来。

将 CE 应用于指定钢材牌号和规范

碳素结构钢和低合金结构钢

当焊接评定需要基于化学成分判断淬硬性和氢致开裂风险时，可将碳当量计算应用于碳素钢和低合金结构钢。典型的产品规范包括 ASTM A36/A36M、ASTM A572/A572M，以及 EN 10025-2 中的 S275 和 S355 等牌号。牌号标识的是材料类别及其规定的产品性能；它本身并不提供待焊特定炉次的化学成分。

对于国际焊接学会方法，AWS D8.10M:2021 给出：

CEIIW = C + (Mn + Si)/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15

各元素含量以质量百分数代入。有些针对热轧钢的焊接指南在书写相同表达式时不带下标，即：CE = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15，因为该表达形式不包括硅。该计算是对合金元素综合作用于淬硬性的估算，而不是对可焊性的直接测量。

即使对于熟悉的结构钢牌号，这一区分也很重要。符合 ASTM A36/A36M 或 EN 10025-2 S355 要求的炉次，必须满足其规范规定的化学成分限值和力学性能要求；但是，所报告的碳、锰、铬、钼、镍、铜和钒含量可能与另一炉符合要求的材料不同。因此，尽管两种材料具有相同的名义牌号，其 CE 值仍可能不同。

AWS 关于碳素钢和低合金钢的指南指出，化学成分和淬硬性是可焊性评定中需要考虑的因素。实际意义在于，CE 可帮助确定焊接工艺是否需要更严格地控制预热、层间温度、热输入、焊材氢含量和冷却条件。厚度、接头拘束、环境条件以及氢控制方法也会影响评定。单凭 CE 结果，不能选择焊接工艺，也不能证明接头不会发生延迟氢致开裂。

对于特定钢材群体或特定决策，其他表达式可能更为适用。2007 年发布的 AWS 焊接指南在给出 IIW 方程的同时，还给出了 Pcm = C + Si/30 + (Mn + Cu + Cr)/20 + Ni/60 + Mo/15 + V/10 + 5B 和 CET = C + Mn/10 + Mo/10 + Cr/20 + Cu/20 + Ni/40。TWI 于 2024 年报告称，Pcm 主要是针对现代低碳钢开发的，这类钢的碳含量约为 0.11 wt% 或更低。仅仅因为 Pcm 能得出一个便于使用的数值就选择它，会忽略该公式的适用成分范围及其开发目的。

高强度低合金钢和调质钢

高强度低合金钢（HSLA）同样需要将牌号识别与针对具体炉次的计算区分开来。其示例包括 ASTM A572/A572M 和 ASTM A709/A709M 高强度低合金产品；而调质结构钢则可能按照 ASTM A514/A514M、EN 10025-6 S690Q 或其他适用的产品标准进行规定。这些牌号包含对强度、韧性、交货状态和化学成分的要求，但不能替代对材料质量证明书的审查。

钒、铌和钛等微合金化元素会影响析出、晶粒细化和强度；铬、钼和锰会影响淬硬性和相变行为。某一公式会根据其构造对这些元素赋予相应权重，但它不能再现焊缝的完整热历史或由此形成的热影响区显微组织。对于调质钢，焊接热循环还可能改变原有的回火状态，因此硬度、韧性和焊后要求可能与 CE 值同等重要。

对于这些钢材，适用的产品规范和焊接标准决定最终评定要求。焊接工艺评定可能需要在规定的关键变量条件下证明力学性能、硬度、韧性或延迟开裂控制能力。必须综合考虑预热和层间温度限值、热输入、焊道顺序、焊材储存、拘束以及焊后热处理。在硬度控制至关重要的情况下，TWI 于 2024 年关于 NACE 要求的讨论报告称：当碳含量超过 0.18 wt% 时，建议碳当量限值低于 0.43；对于厚度超过 1 英寸的部件，建议限值为 0.45。这些数值属于上述特定背景，不应转用于所有高强度低合金钢或调质钢牌号。

AWS D8.10M:2021 将碳当量描述为可焊性指南，而不是绝对参数。对于高强度钢，这一表述尤其重要，因为在名义牌号不变的情况下，强度等级、韧性要求、板厚、拘束和交货状态都可能改变焊接风险。

为什么仅凭牌号不能替代炉次化学成分

牌号规定的是一个规范范围或产品要求。针对具体炉次的 CE 计算，则使用待连接材料实际报告的元素含量。这是两类不同的信息：前者确定产品必须满足的要求；后者估算材料实测化学成分可能如何影响淬硬性和焊接控制措施。

因此，正确的工作流程是：确定产品标准，获取适用的炉次化学成分，选择适合该钢材和开裂评定的公式，然后将计算结果与焊接工艺及适用规范的要求进行比较。计算应说明所使用的数值是来自经认证的炉次分析、产品最大值，还是其他允许的来源。用规范最大值替代实测值可能得到保守的筛选结果，但这并不等同于报告该炉次的实际 CE。

材料分组增加了一个层次，而不是替代该计算。ISO 15608:2025 为焊接用途的金属材料分组提供了统一体系，其中包括钢材及其他合金类别。材料组别有助于进行焊接工艺评定和材料控制，但它不是碳当量公式。最终决策必须遵循适用的产品标准和焊接标准，并以实际化学成分及完整的焊接条件集合为依据。

标准、材料分组与焊接工艺评定

ISO 15608:2025 与材料分组[4][4] ISO 15608:2025. International Organization for Standardization. ISO standard, 2025.

ISO 15608:2025 规定了用于焊接目的的金属材料统一分组体系。其适用范围不限于碳钢和低合金钢：该体系还涵盖不锈钢、镍及镍合金、铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金，以及该标准涉及的其他材料系列。材料根据其规定的化学成分、产品形态、力学性能和冶金分类，被划分至相应组别，并在适用时划分至子组。

该标识用于组织焊接工艺评定，并确定评定数据何时可以适用于同一允许组别或子组中的另一种材料。例如，某种根据产品标准识别并被分配至 ISO 15608 某一组别的结构钢，并不是获得了一个可焊性评分。该组别记录的是其与其他材料之间在评定目的上的关联。

这一点很重要，因为材料分组是一种分类体系，而碳当量则是基于成分的计算结果。ISO 15608:2025 并不会将组别编号转换为 CE 值。反过来，CE 计算结果也不能确定某种材料的 ISO 15608 组别。仍必须核查材料证书、产品牌号、适用版本的 ISO 15608 以及适用的结构规范。

组别标识不能替代实际炉批分析。两种钢材可能属于相互关联的材料组别，但其碳、锰、铬、钼、镍、铜、钒、硼或其他影响淬硬性和氢致开裂风险的元素含量可能不同。厚度和交货状态也会影响热循环以及最终形成的热影响区。材料分组简化了评定框架，但并不会消除这些差异。

将材料分组与碳当量计算区分开来

应根据所要解决的焊接问题选择碳当量，而不应将其视为附属于某一牌号的通用固定数值。AWS D8.10M:2021 将国际焊接学会公式列为：

$${\mathrm{CE}}_{\mathrm{IIW}}=C+\frac{\mathrm{Mn}+\mathrm{Si}}{6}+\frac{\mathrm{Cr}+\mathrm{Mo}+V}{5}+\frac{\mathrm{Ni}+\mathrm{Cu}}{15}.$$

该公式以及其他公式中的元素含量通常以质量百分数输入。因此，0.20 wt% 的碳含量应以 0.20 输入公式，而不是 20。所得结果可用于判断淬硬性，以及在特定氢含量、拘束和冷却条件下，焊缝热影响区发生开裂的可能性。

其他公式对各元素采用不同的权重。AWS 于 2007 年发布的热轧钢材指南给出了以下公式：

$$\mathrm{CE}=C+\frac{\mathrm{Mn}}{6}+\frac{\mathrm{Cr}+\mathrm{Mo}+V}{5}+\frac{\mathrm{Ni}+\mathrm{Cu}}{15},$$

$$\mathrm{Pcm}=C+\frac{\mathrm{Si}}{30}+\frac{\mathrm{Mn}+\mathrm{Cu}+\mathrm{Cr}}{20}+\frac{\mathrm{Ni}}{60}+\frac{\mathrm{Mo}}{15}+\frac{V}{10}+5B,$$

以及

$$\mathrm{CET}=C+\frac{\mathrm{Mn}}{10}+\frac{\mathrm{Mo}}{10}+\frac{\mathrm{Cr}}{20}+\frac{\mathrm{Cu}}{20}+\frac{\mathrm{Ni}}{40}.$$

TWI 2024 年的指南将 CEIIW、Pcm、CEq 和 CEN 区分开来，而不是将它们作为可以相互替换的名称。Pcm 主要是针对现代低碳钢开发的，这类钢的碳含量约为 0.11 wt% 或更低。在其开发所针对的材料范围和开裂模型之外应用 Pcm，可能会造成一种精确性被高估的误解。

AWS D8.10M:2021 将碳当量描述为可焊性指南，而不是绝对参数。这一表述应当决定其使用方式。CE 计算可以支持对预热、氢控制、热输入或硬度风险进行复核的决定，但不能单凭自身批准 WPS。适用的制造规范可能会规定特定的公式、限值或焊接工艺评定路径。与通用公式相比，应优先遵守该规范的要求。

这一点同样适用于已发布的限值。TWI 2024 年关于 NACE 硬度要求的讨论指出，在碳含量超过 0.18 wt% 时，为控制硬化的热影响区，建议 CE 限值低于 0.43；对于厚度超过 1 英寸的部件，建议低于 0.45。这些数值并不是适用于所有钢材、厚度、服役环境或焊接工艺的通用验收规则。

CE 无法替代的工艺评定变量

合格的焊接工艺将材料与实际接头及焊接操作联系起来。它规定接头设计和制备、母材厚度范围、焊接位置、焊接方法、极性或电流类型、焊接材料分类、适用时的保护气体、预热、道间温度、热输入和焊接行走条件。它还可能对氢含量、焊道顺序、拘束、冷却、焊后热处理以及硬度或开裂要求进行控制。

CE 为该控制体系提供参考。较高的 CE 可能表明淬硬性更高，需要更加严格的热控制和氢控制；而较低的 CE 并不能保证不会发生开裂。厚截面与薄截面的冷却方式不同；高拘束接头与低拘束接头的行为不同；低氢焊接材料也无法消除不适当预热或过度拘束所造成的影响。

焊接方法本身会改变热循环。即使针对同一种牌号，焊条电弧焊、气体保护金属电弧焊、埋弧焊和药芯焊丝电弧焊也可能产生不同的热输入、氢暴露程度和冷却速率。焊接材料分类同样重要，因为强度、扩散氢等级标识和熔敷金属化学成分都是工艺评定变量，并不包含在 CE 数值之中。

焊后热处理可以改变残余应力并回火硬化区域，但其规定的温度、保温时间以及加热或冷却速率必须依据适用规范和合格的焊接工艺确定。在服役条件或规范要求提出相应规定时，硬度试验、氢致开裂检验和延迟检验可能是强制性的。AWS 关于碳钢和低合金钢的指南将化学成分和淬硬性列为可焊性考量因素，但 AWS 和 ISO 15608:2025 均未将 CE 视为工艺评定的替代项。

因此，实际步骤是明确的：确定材料及其 ISO 15608 组别，取得经认证的化学成分，按照适用规范要求的 CE 公式进行计算，然后依据规定的接头、厚度、焊接方法、焊接材料和热控制条件，对 WPS 进行评定并加以实施。CE 是该决策的一项输入因素，但它本身并不是工艺评定。

局限性、误用与实际解读

将 CE 视为通用阈值的错误

碳当量是基于成分对淬硬性和氢致开裂风险进行的估算。它并不是完整的可焊性评价指标，也不会脱离焊接条件而给出合格或不合格的结论。AWS D8.10M:2021对此明确指出：碳当量是可焊性指南，而不是绝对参数。

一个常见错误是将每一种碳当量计算都称为“CEIIW”。在 AWS D8.10M:2021中，CEIIW 特指：

$${\mathrm{CE}}_{\mathrm{IIW}}=C+\frac{\mathrm{Mn}+\mathrm{Si}}{6}+\frac{\mathrm{Cr}+\mathrm{Mo}+V}{5}+\frac{\mathrm{Ni}+\mathrm{Cu}}{15}$$

通常应将各元素的数值以重量百分比输入。该名称不应自动用于 Pcm、CET、CEq 或 CEN。这些方程分别反映了不同的钢材群体，以及对淬硬性或氢致开裂敏感性进行表征的不同尝试。

Pcm 可以说明这一差异：

$$\mathrm{Pcm}=C+\frac{\mathrm{Si}}{30}+\frac{\mathrm{Mn}+\mathrm{Cu}+\mathrm{Cr}}{20}+\frac{\mathrm{Ni}}{60}+\frac{\mathrm{Mo}}{15}+\frac{V}{10}+5B$$

TWI 于2024年报告称，Pcm 主要是针对现代低碳钢开发的，这类钢的碳含量约为0.11 wt%或更低。与 CEIIW 相比，Pcm 对硅和若干合金元素采用了不同的权重，并明确纳入了硼。当钢材中含有特意添加的硼时，省略硼并不是无害的简化。反之，如果将 Pcm 数值直接与 CEIIW 限值比较，仿佛两者具有相同含义，在技术上是不合理的。

阈值也属于其具体来源和应用范围。TWI 在2024年关于 NACE 硬度要求的讨论中指出，在碳含量超过0.18 wt%的情况下，为控制硬化的热影响区，建议碳当量限值低于0.43；对于厚度超过1英寸的部件，建议限值为0.45。该表述并未为所有钢材牌号、接头、厚度、氢含量、拘束条件或服役环境确立通用限值。酸性服役要求中的限值不能简单移用于桥梁制造工艺，同样，某一材料标准中的限值也不能取代适用的焊接规范。

计算本身可能十分精确，但结论仍可能错误。碳含量、冷却速率、扩散氢、拘束、热输入、预热、层间温度以及焊后处理都会影响实际风险。

公式选择何时会改变工程结论

在接近工艺边界时，公式选择尤为重要。考虑一种含有少量硼的低碳微合金钢。由于 CEIIW 方程中不含硼，计算结果可能处于中等水平；而 Pcm 会因 $5B$ 项而升高。如果工程师使用 Pcm 进行氢致开裂评估，却在计算时省略硼，所得结果可能低估该成分预期产生的影响。如果随后又将同一数值与 CEIIW 阈值进行比较，则会叠加两项独立错误。

相反的问题是：将 CEIIW 应用于不属于另一方程开发对象群体的钢材。TWI 将 CEIIW、Pcm、CEq 和 CEN 区分为氢致开裂评估中常用的不同公式。它们不是可以互换的名称。AWS 于2007年发布的热轧钢材指南，将 CEIIW 类型的 CE、Pcm 和 CET 分别列出：

$$\mathrm{CET}=C+\frac{\mathrm{Mn}}{10}+\frac{\mathrm{Mo}}{10}+\frac{\mathrm{Cr}}{20}+\frac{\mathrm{Cu}}{20}+\frac{\mathrm{Ni}}{40}$$

因此，对于同一炉次，CET 可能得出不同于 CEIIW 的排序，尤其是在锰、钼、铬、铜或镍含量较高时。这种差异并非数学缺陷，而是反映了不同的经验权重和预期用途。

化学成分数据的质量是导致结论变化的另一个来源。钢厂材质证明书可能提供炉次分析，而规范可能只列出名义最大值或数值范围。在未作说明的情况下以名义值替代实际值，可能掩盖该结果究竟是保守的、非保守的，还是仅用于说明。当决策取决于很小的裕量时，应使用实际炉次化学成分。报告应说明每个数值属于实际分析值、规定最大值、名义成分，还是假定值。

材料分组也必须与碳当量计算分开。ISO 15608:2025规定了用于焊接目的的金属材料统一分组体系，涵盖钢材及其他合金系列。材料组号有助于确定现有焊接工艺是否可以适用，但不能取代 CE 计算，也不能证明两种钢材具有等效的开裂行为。

工程师和检验员的决策清单

在接受碳当量结果之前，应记录以下内容：

• 公式及其来源：明确所采用的是 CEIIW、Pcm、CET、CEq 还是 CEN，并引用适用的标准、AWS 文件、项目规范或技术指南。
• 化学成分依据及单位：核实在有要求时，C、Mn、Si、Cr、Mo、V、Ni、Cu 和 B 均以重量百分比输入；区分实际炉次分析值与名义值或最大值。
• 钢材系列及牌号：记录牌号和材料标准，例如相关的 ASTM、EN、API 或其他牌号，并在概念上将 ISO 15608 材料分组与 CE 分开。
• 厚度及碳含量：确定控制厚度；在考虑所引用的 NACE 相关限值时，注明碳含量是否超过0.18 wt%。
• 公式的适用对象群体：确认该钢材是否属于适合采用 Pcm 的现代低碳材料，或是否应根据适用文件采用 CEIIW、CET 或其他表达式。
• 开裂条件：评估扩散氢、焊接材料控制、接头拘束、装配质量、热历史、冷却速率以及形成高硬度热影响区的风险。
• 焊接控制措施：根据适用标准或合格的焊接工艺，确定预热、层间温度、热输入、防氢措施、延迟检验以及任何焊后热处理要求。
• 决策记录：说明计算值、适用限值（如有）、假设条件、偏差以及由此确定的焊接控制措施。

CE 最适合作为更全面可焊性评估中的一个透明输入，而不是通用阈值，也不是经批准焊接工艺的替代品。

参考文献

1. [1]American Welding Society. AWS D8.10M:2021. AWS standard, 2021. https://pubs.aws.org/Download_PDFS/D8_10M_2021_PV.pdf
2. [2]TWI. What is the difference between the various carbon equivalent formulae used in relation to hydrogen cracking?. TWI Technical Knowledge, 2024. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/faq-what-is-the-difference-between-the-various-carbon-equivalent-formulae-used-in-relation-to-hydrogen-cracking
3. [3]TWI. Complying with NACE hardness requirements. TWI Job Knowledge, 2024. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/job-knowledge/complying-with-nace-hardness-requirements-119
4. [4]International Organization for Standardization. ISO 15608:2025. ISO standard, 2025. https://www.iso.org/standard/88796.html