Q345R鋼埋弧焊焊縫開(kāi)裂原因分析*

黃 靜，趙國(guó)仙，宋 洋

（1.西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065；2.西安摩爾石油工程實(shí)驗(yàn)室股份有限公司，西安 710065）

在壓力容器生產(chǎn)過(guò)程中，作為應(yīng)用最廣泛的壓力容器材質(zhì)——Q345R 鋼，是低合金結(jié)構(gòu)鋼的一種，與普通碳素結(jié)構(gòu)鋼相比，具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、 用于工程結(jié)構(gòu)制造質(zhì)量輕、 低溫性能好等特點(diǎn)，但在焊接過(guò)程中出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象較為普遍，尤其是在進(jìn)行自動(dòng)埋弧焊焊接時(shí)，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生焊接裂紋。 焊接裂紋是焊接結(jié)構(gòu)危害最大、 最危險(xiǎn)的一種缺陷，裂紋缺陷主要分為熱裂紋、 冷裂紋、 層狀撕裂等，此缺陷不僅可降低焊縫強(qiáng)度，更容易在裂縫的末端形成尖銳的缺口，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的應(yīng)力集中，造成焊接結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，所以在焊接過(guò)程中要盡量避免焊接裂紋的產(chǎn)生[1-5]。本研究就某Q345R 鋼埋弧焊過(guò)程中焊縫開(kāi)裂原因進(jìn)行分析。

焊件為Q345R 鋼正火鋼板，由多個(gè)形狀不規(guī)則的塊狀試樣拼接形成規(guī)格為Φ8 000 mm×68 mm×119 470 mm 的不規(guī)則圓筒狀產(chǎn)品，在埋弧焊環(huán)向焊縫焊接過(guò)程中發(fā)生了開(kāi)裂。 焊接材料是焊絲（H10Mn2）+焊劑（F5P2-H10Mn2），焊接電流為 590～600 A，電壓為 30～32 V，焊接速度為30～35 cm/min，焊前工件預(yù)熱溫度為 80～110 ℃。施工場(chǎng)地在海邊，露天作業(yè)。 與開(kāi)裂焊縫左右相近的 4 個(gè)筒節(jié)，每節(jié)單重 36 327 kg。 為了研究Q345R 鋼在此焊接過(guò)程中焊縫發(fā)生開(kāi)裂的原因，對(duì)該焊縫開(kāi)裂處進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀形貌

沿長(zhǎng)度方向即焊接方向有一條貫穿試樣的焊縫，每10 cm 拍一張照片，其中在垂直焊縫方向存在4 條極為明顯的裂紋，如圖1 紅色方框所示。

圖1 試樣宏觀形貌

利用4%HNO3+96%C2H5OH 溶液對(duì)試樣橫截面進(jìn)行浸蝕，浸蝕時(shí)間約10 s，浸蝕后的試樣橫截面如圖2 所示。

圖2 浸蝕后的試樣橫截面照片

1.2 化學(xué)成分分析

利用ARL-3460 直讀光譜儀，依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T4336—2016 對(duì)試樣的母材及焊縫區(qū)域任取兩點(diǎn)進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)。 表1 為母材化學(xué)成分分析結(jié)果，表2 為焊縫化學(xué)成分分析結(jié)果，表3 為焊絲的化學(xué)成分。

由表1 和表2 可知，母材和焊縫金屬的化學(xué)成分均滿(mǎn)足GB/T 713—2014 《鍋爐和壓力容器用鋼板》 標(biāo)準(zhǔn)要求。

由表3 可知，焊絲H10Mn2 的化學(xué)成分既滿(mǎn)足GB/T 5293—1999 《埋弧焊用碳鋼焊絲和焊劑》 標(biāo)準(zhǔn)要求，也滿(mǎn)足 GB/T 5293—2018 《埋弧焊用非合金鋼及細(xì)晶粒鋼實(shí)心焊絲、 藥芯焊絲和焊絲-焊劑組合分類(lèi)要求》 標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 母材化學(xué)成分分析結(jié)果 %

表2 焊縫化學(xué)成分分析結(jié)果 %

表3 焊絲H10Mn2 的化學(xué)成分 %

1.3 力學(xué)性能分析

1.3.1 硬度分析

在焊件橫截面上截取硬度試樣，選用HB-300B 布氏硬度試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)ASTM E10-17 《金屬材料布氏硬度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》 對(duì)試樣的母材區(qū)、熔合區(qū)及焊縫區(qū)進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 硬度測(cè)試結(jié)果

由表4 可見(jiàn)，母材的硬度平均值為176.7HBW，熔合區(qū)為 231.3HBW，焊縫區(qū)為193.7HBW。 由于標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)Q345R 鋼的硬度無(wú)規(guī)定，因此該硬度測(cè)試結(jié)果僅供參考。 但是可明確的是，焊縫區(qū)及熔合區(qū)的硬度高于母材，符合一般碳鋼及低合金鋼的規(guī)律。

1.3.2 沖擊韌性分析

選用 ZBC2303-B 擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)ASTM E23-12c 標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)試樣尺寸為 10 mm×10 mm×55 mm 的焊縫金屬進(jìn)行0 ℃沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果

由表5 可見(jiàn)，焊縫金屬在0 ℃下的全尺寸沖擊功平均值為157.2 J，遠(yuǎn)高于GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》 標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.4 金相組織分析

采用 LEICA DMI3000M 型金相顯微鏡，依據(jù)國(guó)標(biāo) GB/T 13298—2015、 GB/T 6394—2017、GB/T 10561—2005 對(duì)試樣的母材、 熱影響區(qū)及焊縫進(jìn)行顯微組織、 晶粒度、 非金屬夾雜物種類(lèi)及等級(jí)進(jìn)行分析。 圖3 為母材、 熱影響區(qū)及焊縫的顯微組織照片。

分析結(jié)果表明，母材、 熱影響區(qū)及焊縫區(qū)的非金屬夾雜物均為D 類(lèi)1.0 級(jí)，無(wú)其他夾雜。 由圖3 可知，母材的顯微組織為細(xì)小的鐵素體+珠光體的正火組織，并且存在帶狀組織，符合軋制鋼的特征。 熱影響區(qū)的組織為馬氏體上分布有羽毛狀貝氏體和粒狀貝氏體，晶粒較粗大。 焊縫的顯微組織基體為索氏體，有塊狀及針狀鐵素體沿柱狀晶分布，晶粒較細(xì)小。

圖3 試樣顯微組織 500×

2 分析與討論

2.1 裂紋附近顯微組織分析

焊件的平面劃定及取樣位置如圖4 所示。 由圖4 可知，裂紋產(chǎn)生后，沿 z 軸及 x 軸方向擴(kuò)展，最終形成垂直于焊縫方向 （即oy 方向） 的裂紋擴(kuò)展面。 因此，利用線切割儀器在焊件上割取帶裂紋的試樣，分別為 xoy 平面試樣 （1#）、yoz 平面試樣 （2#），如圖5 所示。

圖4 焊件的平面劃定及取樣位置

對(duì)試樣裂紋附近的基體夾雜物種類(lèi)及等級(jí)、顯微組織進(jìn)行分析，分別如圖6 和圖7 所示。由圖6 和圖7 可見(jiàn)，1#和 2#試樣裂紋附近的夾雜物種類(lèi)、 等級(jí)及金相組織均無(wú)異?，F(xiàn)象，且與未發(fā)生開(kāi)裂部位的夾雜物種類(lèi)、 等級(jí)和金相組織具有相似的特征。 并且由圖6 （b） 和圖7 （b）可見(jiàn)，裂紋的擴(kuò)展方式包括穿晶擴(kuò)展與沿晶擴(kuò)展兩種方式。

圖6 1#試樣裂紋附近的基體夾雜物及金相組織

2.2 裂紋表面形貌分析

圖7 2#試樣裂紋附近的基體夾雜物及金相組織

圖8 刨開(kāi)后的裂紋表面

為了確定裂紋的開(kāi)裂性質(zhì)，沿著裂紋擴(kuò)展面將存在裂紋的試樣刨開(kāi) （如圖 8 所示）。 由圖 8 可見(jiàn)，裂紋擴(kuò)展的范圍極大，在 zox 面上沿著z 軸與x 軸兩個(gè)方向擴(kuò)展，肉眼即可觀察到在產(chǎn)生裂紋的焊縫斷面上發(fā)生了嚴(yán)重的氧化色彩，在整個(gè)焊縫區(qū)域內(nèi)，已氧化成紅褐色，由此可以判定該裂紋是在較高溫度下發(fā)生的，并且整個(gè)宏觀斷口比較粗糙，因此，可以判斷此焊接裂紋為熱裂紋。 熱裂紋是在焊縫結(jié)晶后期溫度較高時(shí)，焊縫和熱影響區(qū)金屬冷卻到固相線附近的高溫區(qū)時(shí)產(chǎn)生的，一般沿焊縫中心線縱向分布[6-7]。 從理論上分析，引起焊縫熱裂紋的原因有兩點(diǎn)： 一是低熔點(diǎn)雜質(zhì)；二是焊接過(guò)程中的拉應(yīng)力。 拉應(yīng)力是產(chǎn)生熱裂紋的外因，晶界上的低熔點(diǎn)共晶體是產(chǎn)生熱裂紋的內(nèi)因，拉應(yīng)力通過(guò)晶界上的低熔點(diǎn)共晶體而造成裂紋[8-9]。

熱裂紋的特征是沿原奧氏體晶界開(kāi)裂。 C 含量高時(shí)，S 在Fe 中的溶解度會(huì)降低，當(dāng)鋼和焊接材料中的S 含量過(guò)高時(shí)，熱裂紋最容易產(chǎn)生。其主要原因是自由的S 在晶界集中，形成低熔點(diǎn)共晶體，又隨著結(jié)晶方向聚集在焊縫中央，這時(shí)在冷卻過(guò)程中，收縮應(yīng)力與共晶體的聯(lián)合作用促進(jìn)了熱裂紋的形成[3]。

圖9 裂紋表面氧化物EDS 分析區(qū)域

表6 裂紋表面氧化物EDS 分析結(jié)果

對(duì)裂紋表面氧化物進(jìn)行EDS 分析，分析區(qū)域如圖9 所示，EDS 分析結(jié)果見(jiàn)表 6。 由圖9及表 6 可見(jiàn)，斷口表面覆蓋物中存在 C、 O、S、 Mn 及 Fe 元素。 其中，O 的存在表明了斷口在高溫下被氧化生成了鐵的氧化物。 S 是焊縫中常見(jiàn)的有害元素，促使焊縫金屬產(chǎn)生熱裂紋，降低沖擊韌度和腐蝕性。 S 在各類(lèi)鋼中都會(huì)增大結(jié)晶裂紋的傾向，S 在液態(tài)金屬中以FeS 形式存在，在鋼中形成多種低熔點(diǎn)共晶體，使結(jié)晶過(guò)程極易形成液態(tài)薄膜，顯著增大裂紋的傾向。 在低合金高強(qiáng)鋼中S 雜質(zhì)含量超標(biāo)，在焊縫結(jié)晶過(guò)程中存在偏析，形成低熔點(diǎn)共晶體。 在焊縫金屬凝固結(jié)晶后期，低熔點(diǎn)共晶體被排擠在柱狀晶交匯的中心部位，形成液態(tài)薄膜，而此時(shí)由于焊縫凝固收縮產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，當(dāng)拉伸應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變大于焊縫金屬所具有的塑性時(shí)，則在液態(tài)薄膜處就會(huì)開(kāi)裂而形成裂紋[10]。

S 在焊劑中無(wú)法避免。 經(jīng)焊接冶金反應(yīng)生成的硫化物FeS 和MnS，部分殘存于焊縫，形成硫化物夾雜。 有時(shí)也會(huì)因母材或焊絲中的含S 而形成硫化物夾雜。 S 在鐵中有一定的溶解度，其值隨溫度變化較大。 高溫時(shí)，S 在δ 鐵中的溶解度為0.18%，而在γ 鐵中溶解度只有0.05%。 焊后冷卻過(guò)程中，當(dāng)熔池結(jié)晶時(shí)，S 就從過(guò)飽和固溶體中析出而形成硫化物夾雜。 在鋼中硫化物夾雜主要有兩種形態(tài)MnS 和FeS。 一般地講，相比較FeS 而言，MnS 夾雜的形態(tài)和分布對(duì)鋼的力學(xué)性能影響不是很大，而FeS 則影響很大，因?yàn)槿鄢亟Y(jié)晶時(shí)，F(xiàn)eS 沿晶界析出，并與 Fe 或 FeO 形成低熔點(diǎn) （988 ℃） 共晶體，它是促成熱裂紋的重要因素之一[11]。

除此之外，C 元素極易與鋼中的其他元素形成低熔點(diǎn)共晶體，增加產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向。 Si 對(duì)焊縫金屬抗熱裂紋的影響與C 相似，Si 與Fe 也能形成低熔點(diǎn)共晶體，同時(shí) Si 也能降低S 在Fe 中的溶解度，增加了產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向。 Mn 對(duì)抑制結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生非常有利，Mn 的作用主要是它與 FeS 作用后生成MnS，MnS 本身的熔點(diǎn)比較高，又不會(huì)與其他元素形成低熔點(diǎn)共晶體，所以可降低S 的有害作用[12]。

在壓力容器焊接中，熱裂紋作為焊接過(guò)程中常見(jiàn)的焊接缺陷，其一般形成于焊縫內(nèi)部，以結(jié)晶裂紋和液化裂紋為主。 在高溫條件下進(jìn)行焊接時(shí)，焊縫內(nèi)部的金屬結(jié)晶之間一般存在液相層，在焊接溫度不均勻、 由溫度變化產(chǎn)生的拉力大于內(nèi)應(yīng)力情況下，將使晶體層破裂，進(jìn)而使焊縫產(chǎn)生結(jié)晶裂紋[13]，結(jié)晶裂紋是焊接熔池初次結(jié)晶過(guò)程中形成的裂紋，是焊縫金屬沿初次結(jié)晶晶界的開(kāi)裂[14]。 裂紋面上有氧化色彩，沒(méi)有金屬光澤，即為結(jié)晶裂紋。 結(jié)晶裂紋產(chǎn)生的部位是焊縫、 熱影響區(qū)、 近縫區(qū)，通常發(fā)生在雜質(zhì)較多的碳鋼、 低合金鋼、 奧氏體不銹鋼等材料焊縫中[10]。 產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的原因有兩方面因素： 一是焊縫中存在液態(tài)薄膜；二是在焊縫凝固過(guò)程中受到拉伸應(yīng)力，液態(tài)薄膜是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的內(nèi)因，拉伸應(yīng)力是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的必要條件[15]。

清除掉斷口表面覆蓋物之后對(duì)斷口進(jìn)行SEM 分析，如圖10 所示。 由圖10 可見(jiàn)，裂紋沿晶擴(kuò)展，且具有韌窩特征。

圖10 斷口表面SEM 圖像

3 結(jié) 論

（1） 對(duì)焊縫金屬的理化性能及顯微組織的檢測(cè)結(jié)果表明，焊縫金屬的各項(xiàng)性能均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。 母材的顯微組織為鐵素體+珠光體，熱影響區(qū)為馬氏體上分布有羽毛狀貝氏體和粒狀貝氏體，焊縫區(qū)的顯微組織基體為索氏體，塊狀及針狀鐵素體沿柱狀晶分布。

（2） 裂紋附近金屬中的夾雜物、 顯微組織等檢測(cè)結(jié)果未見(jiàn)異常，但裂紋表面的S 元素偏高。根據(jù)裂紋的特點(diǎn)判斷焊縫產(chǎn)生的裂紋屬于熱裂紋中的結(jié)晶裂紋。