Q235B焊管開裂原因分析

張愛梅

（新疆八一鋼鐵股份有限公司制造管理部）

1 問題的提出

Q235B是碳素結構鋼GB/T700中的牌號，由于其含碳量較低,具有優(yōu)良的焊接性，被廣泛用于焊管中。某鋼廠在使用Q235鋼生產HFW焊管時，在焊接接頭處發(fā)生開裂，裂紋與焊縫垂直。通過對其化學成分、非金屬夾雜物檢驗、金相、掃描電鏡及能譜等檢測分析，查找該Q235B鋼管開裂失效的原因。

2 檢驗與分析

開裂的焊管宏觀形貌如圖1所示。焊管的直徑為273mm，鋼板壁厚為7.5mm，其表面明顯的垂直于焊縫的橫向裂紋，橫穿整條焊縫，并延伸到母材上，裂紋貫穿整個鋼板厚度，裂紋的長度約為45mm。

2.1 化學成分分析

采用直讀光譜儀對失效管進行化學成分檢驗，檢驗結果見表1。

圖1 開裂鋼管的宏觀形貌

表1 Q235B焊管鋼化學成分（質量分數） wt%

從化學成分看：該焊管的成分符合GB/T709《碳素結構鋼》對化學成分的要求。

2.2 夾雜物檢驗

根據中國標準GB/T 10561《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》，對該失效焊管進行非金屬夾雜物進行夾雜物評定，結果見表2和圖2。檢驗結果表明：該夾雜物級別較低，該含量對于焊管用鋼性能的影響較小。

表2 夾雜物評定結果

圖2 Q235B焊管母材夾雜物

2.3 焊管母材金相分析

在焊管母材進行組織檢驗，組織形貌如3所示：組織為鐵素體+珠光體。這是Q235B鋼正常的組織，未發(fā)現其他任何非正常組織形態(tài)。

圖3 Q235B焊管母材組織100X

2.4 夏比沖擊試驗

根據GB/T 229金屬夏比缺口沖擊試驗方法，對斷裂試件母材縱向取沖擊試樣,制成V型缺口,進行沖擊試驗。

試驗樣的尺寸為10×5×55（mm），試驗溫度為常溫，沖擊值分別為 48J、56J、53J(第一組)；62J、63J、60J(第二組)，滿足GB/700中對Q235B沖擊性能的要求，從焊縫、熱影響區(qū)部位取一組橫向沖擊樣進行室溫沖擊性能試驗，沖擊值均值只有12J。

2.5 斷口分析

在試件上取2個樣進行分析，一塊取裂紋斷面，一塊取裂紋附近的焊接接頭橫截面。機械截取與裂紋長度相同的試塊，浸泡在液氮中，然后打開斷口,如圖4所示，斷面由于放置時間比較久，已經完全生銹，采用弱酸清洗表面，以便觀察裂紋的起源與走向。

圖4 試樣斷面

對清洗后的斷口形貌進行觀察（如圖5所示），可以看到裂紋的起源在焊縫的外表面，然后呈放射型向外擴展。

圖5 斷面清洗后的斷口形貌

對啟裂源位置進行掃描電鏡觀察（如圖6所示），啟裂點斷面以韌窩為主，伴有少量的準解理斷面。同時對斷面特征位置進行成分檢測（如圖6，圖7所示），圖7是對斷口上的表面附著物進行檢測，其主要物質是 Fe、K、Al、Si的氧化物，可能是未清洗干凈的浮銹。圖7是斷口基體的檢測，主要就是Fe和C。

圖6 啟裂位置的掃描及表面附著物掃描

圖7 基體掃描

斷口由于已經經過較長時間的銹蝕,清洗之后斷面有可能存在的一些夾渣物之類的物質無法如實反映出來，從斷面斷裂的方式來看并非是脆性的解離斷面，因此啟裂和擴展都需要較大的能量。

在斷口分析的基礎上取一個焊接接頭的截面（如圖8所示）進行宏觀形貌檢查，焊縫的寬度最窄的部位有2.66mm，這對于HFW的焊縫來說顯得有點太寬，而且焊縫內部有明顯的焊縫金屬外漏，且在焊縫內部表面有裂紋。

圖8 焊接接頭宏觀照片

繼續(xù)對焊接接頭進行金相組織分析，母材基本是由多邊形鐵素體和少量的珠光體組成（如圖9所示），晶粒大小較均勻，硬度值約在180HV10。

圖9 母材金相照片 100X

焊縫的金相組織分別如圖10所示，分別取焊縫的外部、中心和內部。從100倍金相照片上可以看到在焊縫的寬度中央有一條明顯的鐵素體帶，而鐵素體帶的兩邊則有明顯的滲碳體析出。從200倍照片上可以看到在焊縫內部和外部都有明顯的魏氏組織，而焊縫中心則沒有發(fā)現魏氏組織或者相對較少，這說明在焊接過程中焊縫出現過熱現象，而在焊縫的外部和內部更加突出，這與焊縫的形貌也能形成對應關系焊縫的硬度達到約230HV10，這與焊縫中大量滲碳體的析出有關，也會導致焊縫的脆性增加。

圖10 焊縫的金相組織

3 分析與討論

（1）引起焊管的開裂原因一般與材料本身的質量和焊接工藝有關。材料對開裂的影響主要表現在化學成分、非金屬夾雜物含量、金相組織等方面。從檢驗分析結果可知化學成分滿足相關標準技術要求，非金屬夾雜物含量都正常，基體組織為正常的鐵素體+珠光體組織。其沖擊韌性檢測，沖擊功值遠遠高于標準要求，材料表現出較好的抗撕裂能力。由此可以推斷焊管開裂與原材料本身的質量無關。

（2）斷口的形貌分析。裂紋橫穿整條焊縫，并且擴展至母材,啟裂點在焊縫表面，且斷裂面以韌窩為主伴有少量的準解離形貌，說明在焊接方向受到很大的應力或者彎矩，而導致開裂。

（3）金相組織分析。焊縫和熱影響區(qū)的過熱區(qū)出現較多魏氏組織。沖擊試驗結果表明：存在魏氏組織的焊縫及熱影響區(qū)的沖擊吸收能量與母材的試驗結果相差明顯，是導致焊縫韌性下降的原因之一。一般將從晶界向晶內生長的互成一定角度或彼此平行的片針狀α-Fe，稱之為魏氏組織。其形貌特征如圖11所示，是鋼的一種過熱缺陷，它使鋼的力學性能特別是沖擊性能和塑性顯著降低，因而使鋼容易發(fā)生脆性斷裂。魏氏組織的形成是在成分一定的情況下，與主要決定于化學成分奧氏體的晶粒大小和冷卻速度有關。

圖11 魏氏組織示意圖

為避免粗大多量的魏氏組織，焊接時必須控制奧氏體晶粒度大小及焊接冷卻速度。

4 結語

（1）此Q235B焊管開裂的原因是在焊接過程的應力集中、焊縫和熱影響粗大較多的魏氏組織使材料的韌性下降共同作用的結果。

（2）為防止焊接過程中的應力集中，建議焊接時采用合適的焊接結構，避免未融合、未焊透、氣孔及焊縫過寬等缺陷的產生。

（3）分析焊縫熱影響區(qū)存在較多的魏氏組織，認為這是焊接過程過熱的原因。結合焊縫的形貌以及焊縫內部金屬的外漏情況，認為現場焊接工藝不甚合理，導致了焊縫脆化，也是焊縫開裂的一個誘因。建議采用合適的焊接電流密度和焊接速度，控制焊接熔池冷卻速率，防止接頭晶粒粗大，預防魏氏組織產生。

致謝：檢測分析工作得到上海寶鋼研究院焊接與腐蝕防護技術研究所大力支持，在此表示感謝！