熱軋鋼板高頻直縫電阻焊接制管開(kāi)裂原因

海 超, 郭曉靜

(本鋼板材股份有限公司 技術(shù)研究院, 本溪 117021)

高頻直縫焊接鋼管具有熱影響區(qū)小、尺寸精度高、壁厚均勻等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于石油化工、電力、農(nóng)業(yè)灌溉、城市建設(shè)等領(lǐng)域。高頻直縫焊接鋼管采用帶鋼卷板為原材料，經(jīng)過(guò)切割、預(yù)彎、連續(xù)成型后，在高頻電流的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)作用下，使得管坯邊緣熔化，在擠壓輥的作用下進(jìn)行壓力焊接，制成鋼管產(chǎn)品。高頻直縫焊接鋼管的質(zhì)量主要取決于焊縫的質(zhì)量[1-4]。

某公司使用本鋼生產(chǎn)的1.5 mm厚熱軋鋼板(SPHC)生產(chǎn)高頻直縫電阻焊管(簡(jiǎn)稱SPHC焊管)，管材焊接工藝流程為加熱→熔化→冶金反應(yīng)并施加壓力→凝固→固態(tài)相變→形成焊縫→成管，在對(duì)SPHC焊管端部進(jìn)行切削后發(fā)生開(kāi)裂。為了分析了該SPHC焊管開(kāi)裂的原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)與分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

如圖1所示，SPHC焊管開(kāi)裂起始位置在焊管端部，端部經(jīng)機(jī)械加工成梯形，表面光滑，裂紋沿焊管焊縫中間位置進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展路徑較平直。

圖1 SPHC焊管開(kāi)裂位置的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

對(duì)開(kāi)裂SPHC焊管進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1?？芍撻_(kāi)裂焊管的化學(xué)成分符合本鋼的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)。

表1 開(kāi)裂SPHC焊管的化學(xué)成分

1.3 斷口分析

沿SPHC焊管開(kāi)裂位置斷開(kāi)后，在起裂位置及距起裂位置30 mm處分別截取橫向試樣，經(jīng)超聲波清洗后，置于SUPRA55型掃描電鏡下觀察斷口的微觀形貌。

如圖2所示，SPHC焊管起裂位置的斷口主要呈準(zhǔn)解理和解理斷裂形貌，可見(jiàn)剪切面、撕裂棱、解理臺(tái)階[5-6]，斷口表面有較多黑色孔洞，呈密集斑塊狀，近似于蜂巢狀，孔壁較光滑。幾個(gè)黑色孔洞的對(duì)稱軸線方向不一致，在起裂位置處黑色孔洞的對(duì)稱軸線方向主要垂直于裂紋擴(kuò)展方向，該處孔洞分布較為集中。采用能譜儀對(duì)黑色孔洞表面進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖3，可知其成分主要為鐵元素。

圖2 SPHC焊管表面裂紋不同位置的斷口微觀形貌

圖3 SPHC焊管起裂位置處斷口表面黑色孔洞的EDS分析位置和分析結(jié)果

對(duì)斷口附近焊縫及母材進(jìn)行打磨、拋光后，使用游標(biāo)卡尺測(cè)量出黑色孔洞的深度在0.2～1.8 mm。

1.4 金相檢驗(yàn)

1.4.1 非金屬夾雜物檢驗(yàn)

采用Imager.D1m型金相顯微鏡對(duì)SPHC焊管母材和焊縫處的非金屬夾雜物進(jìn)行觀察。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》標(biāo)準(zhǔn),對(duì)SPHC焊管母材和焊縫進(jìn)行非金屬夾雜物評(píng)級(jí)。由圖4和表2可見(jiàn),SPHC焊管母材和焊縫處的非金屬夾雜物較少,非金屬夾雜物級(jí)別都符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 SPHC焊管母材和焊縫處的非金屬夾雜物評(píng)級(jí)

圖4 SPHC焊管母材及焊縫處的非金屬夾雜物的微觀形貌

1.4.2 顯微組織觀察

如圖5所示：對(duì)于SPHC焊管起裂位置處，焊縫的組織主要為貝氏體+鐵素體+魏氏組織，熱影響區(qū)組織主要為鐵素體+少量珠光體，母材組織為鐵素體；對(duì)于距起裂位置30 mm處裂紋附近區(qū)域，焊縫組織為貝氏體+鐵素體，熱影響區(qū)組織為鐵素體+少量珠光體;與距起裂位置30 mm處裂紋附近區(qū)域相比起裂位置處焊縫的晶粒尺寸粗大，母材晶粒較細(xì)小。

圖5 SPHC焊管起裂位置及距起裂位置30mm處裂紋附近不同區(qū)域的顯微組織

2 分析與討論

高頻直縫電阻焊管是采用10～500 kHz高頻電流進(jìn)行焊接制成的。首先,將整塊鋼帶沿軋制方向截取一定寬度的窄鋼帶，將窄鋼帶置于制管機(jī)上，在擠壓輥?zhàn)饔孟伦冃纬蓛啥讼騼?nèi)彎曲的管坯，并使兩個(gè)端面呈V形，即焊接區(qū)，V形的頂點(diǎn)是匯合點(diǎn)。然后，將焊接電流從電極直接輸入，在集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的共同作用下，電流主要集中于V形端面焊接區(qū)表層，其附近匯合點(diǎn)處的電流密度最大，即達(dá)到焊接鋼管所需要的電流密度，在擠壓輥?zhàn)饔孟?管坯兩端熔融并焊接在一起。為了使焊接部位母材與焊材完全熔合到一起，達(dá)到全焊透，需要通過(guò)調(diào)整電流密度來(lái)控制焊接溫度。焊透率隨著焊接電流密度的增加而升高，但電流密度過(guò)大時(shí)，可能會(huì)使焊縫燒穿，進(jìn)而造成鋼管焊接部位的強(qiáng)度和焊接質(zhì)量下降。SPHC焊管起裂位置處斷口呈準(zhǔn)解理斷裂特征，晶粒較粗大，且存在魏氏組織，說(shuō)明在焊接過(guò)程中，鋼坯焊縫溫度偏高使晶粒長(zhǎng)大[7],粗大的魏氏組織使焊管的韌性下降。

焊接電流過(guò)大引起的輸入功率過(guò)高是影響焊縫質(zhì)量的主要因素。在焊接過(guò)程中，輸入功率較小時(shí)，管坯坡口面加熱溫度較低，達(dá)不到所需的焊接溫度,則會(huì)產(chǎn)生未焊透現(xiàn)象。輸入功率過(guò)大時(shí)，管坯坡口面加熱溫度過(guò)高會(huì)引起過(guò)熱或過(guò)燒，甚至使焊縫燒穿，造成熔化金屬形成針孔等缺陷[8]。通過(guò)斷口分析可知，SPHC焊管斷口上有許多黑色孔洞，孔洞的中心軸線方向分布無(wú)規(guī)律，尺寸最深的孔洞位于起裂位置處，其深度達(dá)到1.8 mm。綜上分析可知，在焊接過(guò)程中，SPHC焊管開(kāi)裂部位的溫度高于正常焊接溫度，導(dǎo)致焊縫處出現(xiàn)大量孔洞，在切削加工后焊管發(fā)生開(kāi)裂。

3 結(jié)論

在焊接過(guò)程中，焊接電流過(guò)大引起輸入功率過(guò)高，造成焊縫溫度過(guò)高，使SPHC焊管開(kāi)裂位置處形成了粗大的魏氏組織和大量孔洞，從而導(dǎo)致焊管發(fā)生開(kāi)裂。