Q345R中厚板對(duì)接焊縫缺陷分析

郭志成 刁旺戰(zhàn) 徐祥久

摘要： 針對(duì)厚度70 mm左右的Q345R中厚鋼板對(duì)接焊縫超聲波檢測(cè)出現(xiàn)缺陷的問題，采用金相檢驗(yàn)、掃描電鏡、能譜分析等方法對(duì)出現(xiàn)焊接缺陷以及未出現(xiàn)缺陷的鋼板進(jìn)行對(duì)比研究，分析了Q345R中厚板在埋弧焊過(guò)程中，厚度中心處熱影響區(qū)出現(xiàn)缺陷的主要原因。結(jié)果表明，缺陷類型屬于熱裂紋中的液化裂紋。缺陷產(chǎn)生的原因一方面是軋制過(guò)程中硫化物等夾雜物在鋼板邊緣聚集，導(dǎo)致了局部雜質(zhì)元素含量超標(biāo)，另一方面由于鋼板厚度中心處偏析導(dǎo)致的碳、錳元素含量升高，導(dǎo)致中心區(qū)域力學(xué)性能下降，在焊接循環(huán)熱應(yīng)力的作用下裂紋從應(yīng)力集中處產(chǎn)生，并沿?zé)嵊绊憛^(qū)擴(kuò)展。通過(guò)控制母材偏析程度、減小返修焊接熱輸入等方法，可減少缺陷的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞： 焊接缺陷; 液化裂紋; 中心偏析

中圖分類號(hào)：TG 441.7

Abstract： In view of the phenomenon that defects are detected in Q345R medium and heavy steel plate butt welds by ultrasonic inspection， comparative study on Q345R plates with and without welding defects was carried out by metallographic examination， SEM and EDS， in order to analysis the contributing factor to welding defects in heat affected zone which appeared in thickness center of Q345R heavy steel plates while submergearc welding. The result shows that the type of defects is liquation cracking of hot cracking. Both the excessive impurity elements in the center area caused by aggregation of sulfide inclusion on the steel plate edges， and the decrease of mechanical properties in thickness center which due to carbon and manganese element centerline segregation of slab， resulted in the initiation and growth of cracks. By controlling the quality of base metal， decreasing the heat inputs of welding， the amount of welding defects in Q345R medium and heavy steel plate butt welds can be reduced.

Key words： welding defects; liquation cracking; centerline segregation

0 前言

Q345R鋼板，作為國(guó)內(nèi)用量最大、應(yīng)用范圍最廣的低合金鋼板之一，被廣泛應(yīng)用于壓力容器制造等領(lǐng)域。Q345R鋼板具有良好的工藝性能及力學(xué)性能，碳、硫、磷含量較低，錳含量較高，具有良好的抗結(jié)晶裂紋能力，對(duì)于30 mm厚度以下的鋼板，正常情況下不易出現(xiàn)焊接裂紋[1]。但對(duì)于厚度較大的Q345R軋制鋼板，很容易在鋼板心部出現(xiàn)微裂紋[2-4]。此外，隨著鋼板厚度的增加，焊接層數(shù)也隨之增加，焊接時(shí)產(chǎn)生裂紋的傾向也會(huì)變大。目前對(duì)于Q345R焊接缺陷的分析主要集中于結(jié)晶裂紋及冷裂紋等常見缺陷。文中對(duì)于容器及鍋爐產(chǎn)品制造過(guò)程中Q345R中厚板對(duì)接焊縫熱影響區(qū)出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行了取樣分析，判明了缺陷屬于熱裂紋中的液化裂紋。結(jié)合其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及相關(guān)文獻(xiàn)，分析了Q345R中厚板焊接過(guò)程中液化裂紋的成因，并提出了此類缺陷的返修方案及避免措施。

1 材料及焊接方法

某容器筒身材質(zhì)為正火態(tài)Q345R鋼板，厚度為70 mm。母材的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1和表2，均滿足GB/T713—2014的要求。按照NB/T 47013.3對(duì)鋼板邊緣及中心進(jìn)行了超聲波檢測(cè)，結(jié)果為I級(jí)合格。該容器環(huán)縫焊接坡口為GB/T 985.2中的UY形窄間隙埋弧焊焊接坡口，如圖1所示。內(nèi)側(cè)V形坡口采用焊條電弧焊封底，外側(cè)U形坡口采用埋弧焊。焊材選擇為GB E5015焊條、H08MnMoA焊絲及SJ101焊劑。

2 缺陷分析過(guò)程及結(jié)果

2.1 取樣及加工

該容器焊后在超聲波無(wú)損檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)多條環(huán)縫均在板厚1/2深度處出現(xiàn)了環(huán)向的線性缺陷，總長(zhǎng)度超過(guò)環(huán)縫的2/3。缺陷僅在焊縫一側(cè)出現(xiàn)，另一側(cè)檢測(cè)結(jié)果合格。在出現(xiàn)缺陷的焊縫上通過(guò)氣割取樣進(jìn)行分析，將取下的大塊試樣沿焊縫方向分割為40 mm厚切片，通過(guò)銑加工去除硬化層后對(duì)表面進(jìn)行滲透檢測(cè)，在試樣兩側(cè)焊縫截面上均發(fā)現(xiàn)了缺陷。

在缺陷處取金相試樣，通過(guò)光學(xué)顯微鏡進(jìn)行宏觀及微觀金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，缺陷位于熔合線靠近熱影響區(qū)一側(cè)。缺陷呈長(zhǎng)條狀，延伸方向垂直于焊縫。缺陷表面及周邊具有明顯氧化痕跡，且為沿晶斷裂而非穿晶斷裂，因此判定為熱裂紋。微觀檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。

2.2 金相檢驗(yàn)結(jié)果

缺陷試樣母材部分金相檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。圖3a為缺陷試樣母材部分（位于板厚中間）的金相組織照片，圖3b為相同試樣位于板厚邊緣部分母材的金相組織照片。圖4為使用相同焊接方法及焊接材料而未出現(xiàn)焊接缺陷的70 mm厚Q345R鋼板厚度中心處母材部分的金相檢測(cè)結(jié)果。根據(jù)GB/T 13299 《鋼的顯微組織評(píng)定方法》，對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)存在缺陷的產(chǎn)品母材偏析程度（帶狀組織達(dá)4級(jí)，最高5級(jí)）高于未產(chǎn)生缺陷的產(chǎn)品。此外，在發(fā)現(xiàn)缺陷的產(chǎn)品母材厚度中心部分還分布著少量夾雜物。

2.3 掃描電子顯微鏡（SEM）及能譜分析（EDS）結(jié)果

利用掃描電子顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行放大觀察以及進(jìn)行能譜分析。圖5、圖6為缺陷及附近夾雜物的掃描電子顯微鏡（SEM）照片及能譜分析（EDS）結(jié)果，可以看到夾雜物成分以氧化鐵為主，同時(shí)含有硫等其他雜質(zhì)元素。圖7、圖8及表3為圖2中缺陷內(nèi)部的掃描電子顯微鏡（SEM）照片及能譜分析（EDS）結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)缺陷內(nèi)部表面含有大量氧化物，同時(shí)碳元素、硅元素及錳元素含量大幅提高，已經(jīng)超過(guò)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB 713—2014）中規(guī)定Q345R的上限值（0.20%，0.55%，1.60%）。

3 分析與討論

3.1 缺陷類型及產(chǎn)生原因

熱裂紋主要分三種，分別為結(jié)晶裂紋、液化裂紋、失延裂紋及多邊化裂紋，其特征見表4[5]。

液化裂紋是一種在高溫下形成的熱裂紋，通常起源于緊靠焊縫熔合線的母材熱影響區(qū)內(nèi)[6]。電弧熔焊時(shí)，該區(qū)域被瞬時(shí)加熱到接近母材熔點(diǎn)的高溫，由于焊接熱循環(huán)的溫度梯度較大，散熱較快，熱影響區(qū)的母材本身尚未熔化，而晶界上的低熔點(diǎn)共晶相可能已完全熔化。當(dāng)焊接熔池冷卻時(shí)，這些低熔點(diǎn)共晶相尚未完全重新凝固，而接頭的焊接應(yīng)變已達(dá)到較高的水平，就會(huì)導(dǎo)致晶界上出現(xiàn)裂紋。這些晶間液膜的熔點(diǎn)愈低，重新凝固的時(shí)間愈長(zhǎng)，則鋼材產(chǎn)生液化裂紋的傾向愈高。另一方面，在多層焊過(guò)程中，熱影響區(qū)在高溫停留的時(shí)間愈長(zhǎng)，產(chǎn)生液化裂紋的傾向也會(huì)愈嚴(yán)重。文中所研究的缺陷表面具有明顯氧化色彩，且具有沿晶界斷裂的特征。斷口表面主要成分為氧化物，斷口表面非常圓滑，表明是液膜分離的結(jié)果。除此之外裂紋位于母材熱影響區(qū)部分而非焊縫金屬區(qū)域，因此判定該缺陷為熱裂紋中的液化裂紋。

根據(jù)液化裂紋的產(chǎn)生機(jī)理以及前文中的分析結(jié)果可知，該產(chǎn)品在焊接過(guò)程中中產(chǎn)生液化裂紋的主要原因在于，母材厚度中心位置的偏析過(guò)于嚴(yán)重，導(dǎo)致大量低熔點(diǎn)夾雜物（如硫化物、硅酸鹽、氧化物等）在該區(qū)域處聚集，高溫下就有可能形成液化裂紋。根據(jù)文獻(xiàn)論述，在Q345R等低合金鋼厚板中經(jīng)常出現(xiàn)由于偏析導(dǎo)致的夾雜物富集，這些區(qū)域極容易產(chǎn)生裂紋，這些裂紋同時(shí)也是鋼板無(wú)損檢測(cè)及力學(xué)性能測(cè)試不合格的主要原因。由于偏析的存在，熱軋鋼板的化學(xué)成分在厚度方向上分布極為不均。當(dāng)偏析極為嚴(yán)重時(shí)，就可能導(dǎo)致局部區(qū)域雜質(zhì)元素含量超標(biāo)，在焊接過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生裂紋。

液化裂紋其本身尺寸非常小，僅有0.5 mm左右，一般只有在金相顯微鏡下才能發(fā)現(xiàn)，但它往往會(huì)成為冷裂紋、再熱裂紋、脆性破壞和疲勞斷裂的發(fā)源地[7]。而大量相關(guān)資料說(shuō)明，液化裂紋往往是導(dǎo)致母材出現(xiàn)宏觀裂紋以及運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生事故的直接原因之一，因此必須在制造過(guò)程中予以消除[8-10]。

同時(shí)，由于多層埋弧焊的熱輸入較大，熱影響區(qū)范圍較寬，奧氏體晶粒較為粗大，降低了晶界強(qiáng)度，這些也是引起熱裂紋的重要因素[11]。當(dāng)母材中存在裂紋時(shí)，由于裂紋尖端的缺口效應(yīng)造成應(yīng)力、應(yīng)變的集中，很容易在焊接熱應(yīng)力的作用下沿力學(xué)性能較差的厚度中心區(qū)域及熱影響區(qū)擴(kuò)展[12-13]，形成與焊縫平行的線性裂紋。

3.2 缺陷返修及控制措施

對(duì)于這類由母材原因產(chǎn)生的缺陷，返修時(shí)應(yīng)格外注意。由于缺陷位于熱影響區(qū)，很容易向母材方向擴(kuò)展，因此在去除缺陷后除去表面無(wú)損檢測(cè)以外，還應(yīng)進(jìn)行對(duì)坡口兩側(cè)進(jìn)行超聲波檢測(cè)等內(nèi)部無(wú)損檢測(cè)。否則當(dāng)原焊縫中偏析嚴(yán)重區(qū)域與補(bǔ)焊時(shí)的熔合區(qū)及熱影響區(qū)重合時(shí)，很有可能再次產(chǎn)生新的裂紋[14-15]。在返修過(guò)程中應(yīng)盡可能控制焊接能量的輸入，并采用減小電流參數(shù)、窄焊道、多層多道焊等工藝措施來(lái)保證焊接質(zhì)量[16]。對(duì)于文中中出現(xiàn)缺陷的產(chǎn)品，為保證徹底去除缺陷，將整條環(huán)縫及周邊區(qū)域去除，檢測(cè)合格后重新加工坡口進(jìn)行焊接。返修采用焊條電弧焊及埋弧焊，采用小電流參數(shù)及更快的焊接速度焊接。返修后該焊縫重新檢測(cè)合格。

影響液化裂紋產(chǎn)生的主要因素有硼、鎳、鉻、硫、磷等元素的含量，以及焊縫接頭的應(yīng)力狀態(tài)等[7]。通過(guò)控制原材料中的元素含量，以及原材料生產(chǎn)過(guò)程中選用合適的工藝，可以極大的減小偏析，從而減少裂紋等缺陷的數(shù)量[2-4，17]。比如降低母材中的碳、硅含量，可以增強(qiáng)母材的焊接性，減少焊接缺陷的產(chǎn)生。此外，還應(yīng)嚴(yán)格控制母材以及硫、磷等雜質(zhì)元素含量。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)于在容器產(chǎn)品制造過(guò)程中Q345R中厚板對(duì)接焊縫熱影響區(qū)出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行了取樣分析，判明了缺陷屬于熱裂紋中的液化裂紋。缺陷產(chǎn)生的原因一方面是軋制過(guò)程中硫化物等夾雜物在鋼板邊緣聚集，導(dǎo)致了應(yīng)力集中，另一方面由于中心偏析導(dǎo)致的碳、錳元素含量升高，導(dǎo)致中心區(qū)域力學(xué)性能下降，在焊接循環(huán)熱應(yīng)力的作用下裂紋從應(yīng)力集中處產(chǎn)生，并沿?zé)嵊绊憛^(qū)擴(kuò)展。通過(guò)控制母材偏析程度、減小返修焊接熱輸入等方法，有效減少了缺陷的產(chǎn)生。參考文獻(xiàn)

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