針對(duì)Q235B焊接鋼管開裂原因的研究★

李國(guó)建，彭 超

（中鋼不銹鋼管業(yè)科技山西有限公司，山西 晉中030600）

在GB/T 700—2006碳素結(jié)構(gòu)鋼中，Q235B是常見的一種牌號(hào)，該鋼種含碳量低，焊接性能良好，因此在焊接鋼管生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中，特別是在生產(chǎn)高頻焊管時(shí)，在焊管的焊接口處常常會(huì)產(chǎn)生裂紋，且裂紋垂直于焊縫。為了分析Q235B鋼管開裂的原因，本文對(duì)焊接鋼管的化學(xué)成分及非金屬夾雜物進(jìn)行了分析，并通過對(duì)它的金相和掃描電鏡能譜檢驗(yàn)研究，得出導(dǎo)致Q235B焊管產(chǎn)生裂紋的原因。

1 對(duì)裂紋焊管的檢測(cè)與分析

實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些焊管開裂的情況，如圖1所示。圖1中焊管的壁厚為7.0 mm，外徑為Φ273 mm。從圖1中可以看出，焊管表面存在垂直于焊縫的橫裂紋，該裂紋穿過焊縫延伸到母材上，且貫穿鋼板的整個(gè)厚度，裂紋長(zhǎng)度達(dá)到了45 mm。

1.1 對(duì)裂紋焊管的成分分析

為了分析圖1焊管成分對(duì)焊管裂紋的影響，對(duì)該焊管采用光譜儀直接進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果列于表1。

從表1焊管化學(xué)成分可以看出，該焊管的化學(xué)成分符合GB/T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》規(guī)定的化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 生產(chǎn)中Q235B焊管開裂圖

表1 裂紋焊管化學(xué)成分 %

1.2 對(duì)裂紋焊管的夾雜物檢測(cè)

為了分析圖1焊管中夾雜物對(duì)裂紋的影響，對(duì)該焊管中夾雜物進(jìn)行顯微檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖2所示，并根據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》，對(duì)該裂紋焊管進(jìn)行非金屬夾雜物評(píng)定，評(píng)定結(jié)果如表2所示[2]。分析檢測(cè)結(jié)果可知：該裂紋焊管中夾雜物評(píng)級(jí)較低，因此夾雜物含量對(duì)該焊管性能的影響較小。

圖2 裂紋焊管母材中夾雜物

表2 裂紋焊管夾雜物評(píng)定 級(jí)

1.3 裂紋焊管母材金相分析

為了分析圖1焊管組織對(duì)裂紋的影響，對(duì)該焊管進(jìn)行組織檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 裂紋焊管母材組織形態(tài)100X

由圖3可以看出，焊管的組織形態(tài)為鐵素體+珠光體，該組織是碳素結(jié)構(gòu)鋼正常的組織形態(tài)，從圖中未發(fā)現(xiàn)有其他的非正常組織。

1.4 裂紋焊管夏比缺口沖擊試驗(yàn)

為了分析圖1焊管裂紋的起源及走向，對(duì)該焊管進(jìn)行夏比缺口沖擊試驗(yàn)。根據(jù)GB/T 229—1994《金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法》，在裂紋焊管母材縱向上取沖擊試樣，并加工成V型缺口，試樣尺寸取5 mm×10 mm×55 mm，在常溫下進(jìn)行試驗(yàn)，得到的沖擊值第一組分別為48 J、53 J、56 J；第二組分別為60 J、62 J、63 J，該結(jié)果滿足GB/T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》中規(guī)定的沖擊性能標(biāo)準(zhǔn)。

另外從該焊管的焊縫和熱影響區(qū)等部位取橫向沖擊試樣，并在室溫下進(jìn)行沖擊性能試驗(yàn)，得到平均沖擊值為12 J。

1.5 裂紋焊管的斷口分析

在裂紋焊管試件上取裂紋斷面及裂紋附近焊接接頭的橫斷面作為試樣來進(jìn)行分析，截取與裂紋長(zhǎng)度等同的試塊，并將試塊浸泡在液態(tài)氮中，然后打開試件斷口，斷口形貌如圖4所示，為了更好地觀察焊管的裂紋起源及走向，將試件的斷口表面采用弱酸進(jìn)行清洗，以避免斷面銹痕對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。酸洗后的斷面形貌圖如圖5所示。由圖5可以看出，焊管裂紋的起源在焊縫的外表面處，呈放射型向外擴(kuò)展。

圖4 試樣斷口形貌圖

用掃描電鏡對(duì)啟裂源位置進(jìn)行觀察（見圖6所示），可以看到啟裂點(diǎn)斷面主要是以韌窩為主，同時(shí)伴有少量的準(zhǔn)解離斷面。并檢測(cè)斷面特征位置的化學(xué)成分，檢測(cè)結(jié)果如圖6和圖7所示，圖6為斷口表面附著物，主要是以Fe、K、Al、Si的氧化物為主，這些氧化物可能是未清洗干凈的浮銹。圖7是對(duì)焊管斷口基體的檢測(cè)，主要物質(zhì)為鐵（Fe）和碳（C）。

圖5 清洗后斷口形貌圖

圖6 啟裂位置及斷口表面附著物掃描圖

圖7 焊管斷口基體掃描圖

焊管斷口由于存在銹蝕現(xiàn)象，銹蝕物雖然經(jīng)過清洗，但可能還會(huì)存在無法如實(shí)反映出來的夾渣等物質(zhì)。另外從斷面的斷裂方式來看，該斷面并不是脆性解離斷面，由此可知，裂紋的啟裂和擴(kuò)展都需要較大的能量[3]。

取焊接接頭截面進(jìn)行宏觀形貌檢測(cè)，如圖8所示，焊管焊縫最窄部位的寬度為2.68 mm，這對(duì)高頻焊管焊縫來說相對(duì)較寬[4]，并且焊縫內(nèi)部存在明顯的金屬外漏現(xiàn)象，且還存在內(nèi)部表面裂紋。

圖8 焊管焊接接頭宏觀形貌圖

進(jìn)一步通過金相對(duì)焊管母材及焊縫進(jìn)行組織分析（如圖3和下頁圖9所示），從圖3可以看出，焊管母材主要是由多邊形鐵素體和少量的珠光體組成，且晶粒的大小相對(duì)均勻，硬度（HV10）值大約為180。

圖9 為焊縫的金相組織，從焊縫的外部、中心及內(nèi)部取100倍和200倍金相照片。在100倍金相照片上可以看到，焊縫寬度中間位置明顯可見一條鐵素體帶，在鐵素體帶的兩側(cè)具有明顯的滲碳體析出。在200倍金相照片上可以看到，焊縫的內(nèi)、外部都有較明顯的魏氏組織，但在焊縫的中心沒有發(fā)現(xiàn)或具有較少的魏氏組織，由此可知在焊接過程中焊縫出現(xiàn)了過熱現(xiàn)象，特別是在焊縫的內(nèi)、外部部位，硬度（HV10）可達(dá)230，這是因?yàn)槔鋮s過程中析出了大量的滲碳體，并且會(huì)使焊縫的脆性增加[5]。

圖9 焊管焊縫金相組織

2 對(duì)裂紋焊管的分析與討論

1）焊管開裂的原因主要是焊管材料的質(zhì)量和焊接工藝。焊管材料主要是通過化學(xué)成分、非金屬夾雜物含量及金相組織對(duì)開裂產(chǎn)生影響。從檢測(cè)結(jié)果可以看出，裂紋焊管的化學(xué)成分符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，非金屬夾雜物評(píng)級(jí)和含量符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，焊管基體組織為鐵素體+珠光體，屬于正常的金相組織形態(tài)。另外對(duì)焊管的沖擊韌性檢測(cè)可知，沖擊功數(shù)值高于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，說明材料的抗撕裂性能較好。由此可以得出，焊管的開裂和焊管材料的質(zhì)量基本沒有關(guān)系。

2）對(duì)裂紋焊管的斷口形貌分析。焊管裂紋貫穿整條焊縫，并延伸到母材上，啟裂點(diǎn)在焊縫的外表面處，斷裂面主要是韌窩且伴有少量準(zhǔn)解離斷面，該現(xiàn)象表明焊管在焊接方向上受到大的彎矩或應(yīng)力，致使焊管開裂。

3）對(duì)裂紋焊管的金相組織分析。根據(jù)對(duì)焊管金相組織的分析可知，在焊管的焊縫和過熱區(qū)出現(xiàn)了較多的魏氏組織，該組織使焊管焊縫韌性降低，脆性增大，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)脆性斷裂。魏氏組織是指在焊接過熱區(qū)，奧氏體晶粒非常粗大，在較快冷卻速度下，形成特殊的過熱組織，即在一個(gè)粗大的奧氏體晶粒內(nèi)會(huì)形成許多互成一定角度的或者彼此平行的片針狀鐵素體（滲碳體），在鐵素體片針之間的剩余奧氏體最后轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。魏氏組織是鋼的一種過熱缺陷，其形成與鋼在一定成分下的奧氏體晶粒大小和冷卻速度有關(guān)?？赏ㄟ^控制焊接時(shí)奧氏體的晶粒大小和焊接時(shí)的冷卻速度來控制和避免魏氏組織。

3 結(jié)語

1）根據(jù)對(duì)Q235B焊管開裂原因的分析，可以得出影響Q235B焊管開裂的主要因素為：焊縫和焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生的大量的粗大魏氏組織以及焊接過程中出現(xiàn)的應(yīng)力集中。

2）焊接時(shí)通過選用合理的焊接結(jié)構(gòu)，防止產(chǎn)生焊縫過寬、未焊透、未融合及產(chǎn)生氣孔等缺陷，減輕或消除焊接過程中出現(xiàn)的應(yīng)力集中。

3）在分析焊縫開裂原因時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)焊接過程中由于產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，使得焊縫熱影響區(qū)產(chǎn)生數(shù)量較多的魏氏組織，同時(shí)考慮焊縫形貌及金屬外漏情況，可以推斷實(shí)際生產(chǎn)時(shí)焊接工藝選擇不太合理，最終導(dǎo)致焊縫脆化，產(chǎn)生開裂?；诖撕缚p開裂原因，建議在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，選擇合理的焊接工藝，即合理的焊接速度和電流密度，正確控制焊接溫度和冷卻速度，避免出現(xiàn)粗大晶粒，防止產(chǎn)生魏氏組織。