熱軋卷板質(zhì)量對HFW 焊管成型及焊接的影響*

0 前 言

近年來， 以熱軋卷板為原料， 采用HFW 高頻焊接+熱張力減徑+全管體熱處理的工藝生產(chǎn)高精度、 高鋼級套管得到廣泛應用

。 在生產(chǎn)應用中發(fā)現(xiàn)， 熱軋卷板質(zhì)量直接影響HFW 焊管的成型質(zhì)量、 機組運轉(zhuǎn)率及成材率。 因此， 通過分析熱軋卷板質(zhì)量的影響因素， 進而改進冶煉、 軋制及縱剪等工藝控制熱軋卷板質(zhì)量， 能夠為焊管成型和焊接提供良好的保障。

1 卷板成分和組織對HFW 焊管焊接質(zhì)量的影響

1.1 成分設(shè)計

卷板可焊性與原料成分設(shè)計密切相關(guān)， 一般低合金高強度鋼采用碳當量（CE） 來表征其可焊性。 對于管線鋼， 根據(jù)API SPEC 5L—2018 的要求

， CE≤0.43%， 而在高鋼級HFW 套管生產(chǎn)過程中， 為了保證熱處理后鋼管全管體的綜合性能， 原料中Cr、 Mn、 Mo 等合金含量較高， 使CE 大幅增加到0.5%以上， 可焊性降低。 這對于HFW 制管是巨大的挑戰(zhàn)， 需要通過成分優(yōu)化在綜合力學性能和可焊性之間進行平衡。

1.2 帶狀組織

在卷板軋制過程中， 會沿軋制方向形成鐵素體與珠光體交替重疊的帶狀組織， 主要是C、Mn、 Si 等元素的成分偏析造成的， 其中C、 Mn元素的偏析影響更大

。 這種帶狀組織破壞了卷板材料的連續(xù)性和均勻性， 可通過熱處理改善。高頻焊接時， 在擠壓輥的作用下， 熔合線兩側(cè)熱影響區(qū)中的帶狀組織由卷板中部向內(nèi)、 外表面（熔融氧化物擠出） 方向延伸， 即形成金屬流線

。此外， 對于寬板， 易在鋼板心部發(fā)生偏析， 將板材一分為二縱剪后進行焊接時， 因板材心部存在偏析， 進而在心部形成層狀夾雜物， 偏析帶中的夾雜物沿金屬流線進入到焊接熔合區(qū)， 嚴重影響組織的均勻性， 從而降低了焊縫的沖擊韌性， 使得在焊縫處極易發(fā)生開裂。 根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗， 建議偏析帶狀組織評級≤3.0 級來控制。 可通過以下措施控制卷板中的帶狀組織： ①控制鋼水過熱度，較低的澆注溫度可保證組織中形成大量的晶核，形成較大的等軸晶， 抑制柱狀晶的生長； ②增加電磁攪拌， 通過電磁力作用， 打碎柱狀晶， 樹枝晶碎片為等軸晶的形核提供條件， 從而形成更多的等軸晶， 以此控制板材中的帶狀組織。

《東風破》使用較多修辭格，其中典故特別突出。我們分常見修辭格、用典修辭格兩個部分對其總體情況予以介紹。

1.3 非金屬夾雜物

熱軋卷板中非金屬夾雜物按其來源分為兩大類： 內(nèi)生夾雜物和外來夾雜物

。 在鋼的冶煉過程中， 尤其是脫氧反應過程中， 產(chǎn)生的氧化物等產(chǎn)物在鋼液凝固前未浮出， 同時O、 S、 N 等雜質(zhì)元素在凝固時析出并滯留在鋼錠中， 進而形成內(nèi)生夾雜物； 而在鋼的冶煉或澆注過程中， 懸浮在鋼液表面的爐渣、 爐襯等混入進而形成外來夾雜物， 這是一種金屬在冶煉過程中與外界接觸發(fā)生作用而產(chǎn)生的夾雜物。

結(jié)疤、 凹坑、 劃傷、 氧化皮這些缺欠一般都是卷板軋制過程中產(chǎn)生的。 結(jié)疤、 凹坑是軋制時有異物附著在軋輥上形成的

； 劃傷是卷板在行進過程中因輥道軸承抱死， 輥面劃傷或被輥道上或?qū)虬迳系耐怀鑫飫潅纬傻模?熱軋卷板表面的氧化鐵皮卷入成型軋輥， 不但會加劇軋輥的磨損， 而且容易在卷板上形成凹坑。 以上的外觀缺欠嚴重時均會造成HFW 焊管外觀質(zhì)量不合格或修磨后壁厚不足而浪費材料， 嚴重影響成材率，可通過以下措施預防外觀質(zhì)量缺欠： ①加強設(shè)備維護， 避免產(chǎn)生結(jié)疤、 凹坑和劃傷等缺欠； ②加強外觀檢測， 及時排除不合格卷板； ③在軋鋼環(huán)節(jié)， 采用中間坯表面氧化皮破碎+高壓水除鱗的方法清理表面氧化皮。

卷板厚度超差首先影響焊接管坯的壁厚不均勻度， 使得批量鋼管因壁厚超差而造成浪費； 其次， 當板材厚度超差， 尤其是凸度明顯時， 將板材經(jīng)縱剪一分為二， 邊部薄而中部厚， 成型后容易導致錯邊， 一方面引起焊接功率波動， 焊接質(zhì)量不穩(wěn)定， 另一方面因錯邊引起焊道內(nèi)毛刺刮削質(zhì)量不穩(wěn)定， 導致內(nèi)毛刺殘留超標而造成浪費。

教學認知是教師對“教學目標、教學任務、學習者特點、教學方法與策略以及教學情境的分析判斷”[14]．其構(gòu)成包括學科知識、教學法知識、關(guān)于學生的知識和教育情境知識等要素．這些要素彼此統(tǒng)一，相互依附．其中，學科知識“居于基礎(chǔ)地位”，學科教學知識對教學開展具有關(guān)鍵性作用[15]．基于此，擬通過問卷調(diào)查、內(nèi)容分析、視頻分析與訪談相結(jié)合的研究方法，從數(shù)據(jù)分析的學科認知和教學設(shè)計兩個方面考察入手，研究職前數(shù)學教師數(shù)據(jù)分析教學的認知發(fā)展現(xiàn)狀，以此管窺職前教師面向教學的數(shù)據(jù)分析知識發(fā)展的實然狀態(tài)．相信，這不僅是數(shù)學學科核心素養(yǎng)由理念向教學現(xiàn)實轉(zhuǎn)化的必然要求，而且對于深化數(shù)學教師職前教育具有積極意義．

焊縫壓扁開裂后, 斷口平坦、 無金屬光澤。所以， 在控制原料自帶夾雜物方面， 建議A、 B、C、 D 四類夾雜物等級總量按≤8.0 級來控制

?？赏ㄟ^以下措施控制HFW 焊管非金屬夾雜物：①在軋鋼脫氧和脫硫過程中， Mn 和Si 等上浮速率較慢而滯留在鋼中， 導致原材料夾雜物較多，需要控制凈吹氬時間， 確保鋼中夾雜充分上??；②控制w（Mn）/w（Si）≥4， 在Mn 、 Si 聯(lián)合脫氧的過程中形成液態(tài)硅酸錳， 防止高熔點SiO

以固態(tài)形式單獨滯留在鋼中

； ③控制開澆時間， 確保澆注效果， 保證鋼包中鋼水高液位且穩(wěn)定操作；④加強設(shè)備檢查及維護， 防止爐渣、 爐襯等異物混入； ⑤合理選擇焊接參數(shù)， 防止焊接夾雜物的產(chǎn)生。

2 卷板幾何尺寸對HFW 焊管成型及焊接質(zhì)量的影響

2.1 卷板寬度

卷板寬度超差通常指原始熱軋卷板超差和縱剪后工作寬度超差兩種情況。 當原始熱軋卷板寬度超差， 其寬度超上限時， 根據(jù)生產(chǎn)需要在將板材縱剪一分為三或一分為二過程中， 會導致廢邊過寬， 廢邊卷取困難， 成材率降低； 寬度超下限時，廢邊太窄， 縱剪過程中易發(fā)生斷裂或脫剪， 造成縱剪中斷或脫剪處原料切廢， 所以應將熱軋卷板廢邊寬度保持在1.0 t～1.5 t （t 為卷板厚度）。 當縱剪后卷板工作寬度超差， 寬度超上限時， 焊接時的擠壓力增加， 擠壓量大， 在鋼管焊縫處易出現(xiàn)尖嘴、搭接或毛刺等缺陷， 而且在異常載荷作用下易導致軋輥損壞； 寬度超下限時， 鋼管焊接時的擠壓力偏小， 焊縫處易出現(xiàn)未熔合裂縫甚至開口。

2.2 卷板厚度

對圖1 中的裂縫進行EDS 能譜分析， 檢測位置及結(jié)果見圖2、 表1。 由檢測結(jié)果可以看出，裂縫中夾雜物主要以B 類氧化鋁為主， 其中位置1、 5 出現(xiàn)團狀B 類氧化鋁夾雜， 且橫向充填整個裂縫； 位置2、 3 處以點狀氧化錳夾雜為主，與碳錳鋼中的Mn 元素偏析有關(guān)； 位置4 為純Fe。所以， 此夾雜物與連鑄過程中的爐渣、 爐襯等混入有關(guān)。 實際上， 除了熱軋卷板自帶夾雜物， 制管過程中卷板邊緣油污、 高溫氧化等也易在焊縫區(qū)產(chǎn)生夾雜物； 擠壓量、 焊接功率、 焊速及V 形角等設(shè)置不合理， 導致氧化夾雜物未擠出， 從而滯留在焊縫中， 焊縫熔合區(qū)夾雜物如圖3 所示。

塔形卷是指鋼卷端部不齊， 一圈比一圈高，呈現(xiàn)不同程度寶塔形或面包形。 GB/T 709 允許塔形高度≤60 mm

。 散卷表現(xiàn)為外圈散亂和里圈散亂兩種形式。 塔形與散卷常同時存在， 散卷多因卷取過程中, 張力機與卷取機速度不匹配，張力消失或壓輥失效導致在卷板縱剪機組上形成的散卷同時與縱剪后卷板厚度不一致， 使卷取松緊程度不一， 尤其是邊部鋼卷容易散卷。 散卷后在推板卸料過程中， 常因內(nèi)圈緊而外圈松， 抽芯形成嚴重塔形。 塔形卷在吊裝過程中因吊具夾持造成卷板邊部變形， 而且在對接焊過程中因塔形原料偏離中心線， 增大了鋼卷頭尾對接焊的難度， 當對接出現(xiàn)橫向錯位時， 單邊銑邊量過大導致過載而停車， 影響連續(xù)生產(chǎn)。 散卷現(xiàn)象增大了焊接生產(chǎn)的安全風險， 而且散卷會發(fā)生卷板錯動而極易引起卷板表面劃傷， 導致外觀質(zhì)量缺陷的產(chǎn)生。 可通過以下措施控制塔形卷與散卷： ①合理進行卷取張力匹配； ②縱剪后針對不同鋼卷壁厚差異， 在薄壁側(cè)通過增加填充物進行適時補償； ③吊運過程起落平穩(wěn)， 以免人為操作不當造成散卷； ④規(guī)范包裝， 防止因捆扎不牢而造成塔形卷、 散卷等。

3 卷板外觀缺欠對HFW 焊管成型及焊接質(zhì)量的影響

3.1 鐮刀彎和波浪彎

鐮刀彎即帶鋼長度方向在水平面上向一側(cè)彎曲的現(xiàn)象， 也稱月牙彎。 鐮刀彎是帶鋼軋制時沿寬度方向兩側(cè)變形不均勻?qū)е碌模?通常是由于軋輥兩側(cè)壓下量不均造成卷板兩側(cè)延伸不均導致

。波浪彎即卷板邊緣部分沿縱向反復彎曲的現(xiàn)象， 在帶鋼軋制時， 沿板材寬度方向， 中心與邊緣冷卻不勻， 形成波浪灣

， 也與壓下量分配不均導致各軋輥的變形凸度不一有關(guān)。 此類板型帶鋼在成型時容易偏離機組中心線甚至翻鋼， 成型效果差， 且當鐮刀彎或波浪彎誤差累積至料卷尾部時， 極易出現(xiàn)鼓包缺陷， 小的鼓包影響焊接的穩(wěn)定性， 導致焊接缺陷， 嚴重時必須終止焊接。 板型差導致鼓包的鋼管實物照片如圖4 所示。

3.2 塔形卷和散卷

因此， 鋼廠要嚴格控制軋制工藝， 保證卷板幾何尺寸滿足制管要求， 同時， 在拆卷焊接前， 要逐卷檢查卷板寬度和厚度， 避免原材料的浪費。

當采用圓盤剪對熱軋卷板進行裁剪時， 正常剪切斷口是由壓陷面、 剪切面和脆性斷裂面組成， 并且在斷裂面的根部形成毛刺

。 其中， 壓陷面是剪切開始前卷板產(chǎn)生塑性變形而形成的； 剪切面是金屬材料從剪刃壓入剪切階段直至裂縫開始產(chǎn)生時形成的， 即剪刃壓入材料內(nèi)部， 剪刃側(cè)面擠壓板材斷面， 斷面被擠壓成為光滑平直狀態(tài)。 在剪切變形的過程中， 由于裂縫不斷擴展直至上下裂縫重合形成斷裂面， 斷面比較粗糙； 毛刺是剪切過程中剪切面和斷裂面凸出部分和卷板角部被擠出形成的，剪切斷口如圖5 所示。 圓盤剪的剪刃側(cè)間隙尺寸與重合量參數(shù)的選擇直接影響剪切斷面的質(zhì)量， 圓盤剪切如圖6 所示。 當側(cè)間隙尺寸與重合量設(shè)置不合理時， 剪切面與斷裂面出現(xiàn)凸臺、 裂紋和大毛刺， 當后續(xù)刨邊或銑邊無法將其加工為平直斷面時， 均會對焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響， 尤其當剪刃出現(xiàn)崩刃時， 會造成板邊啃邊， 局部工作寬度不足， 焊接擠壓量偏小， 容易出現(xiàn)未熔合開口等情況， 需要進行在線切廢處理。 當出現(xiàn)嚴重影響斷面質(zhì)量的崩刃情況時， 應盡快更換剪刃。

3.3 結(jié)疤、 凹坑、 劃傷及氧化皮

當熱軋卷板存在明顯夾雜物時， 在HFW 高頻焊接過程中， 焊縫熱影響區(qū)中的非金屬夾雜物也會沿金屬流線進入到焊接熔合區(qū)， 在焊縫區(qū)域容易形成鉤狀裂紋。 焊縫與裂紋尖端顯微組織如圖1 所示。 與卷板表面呈水平方向的層狀夾雜物在高頻焊接過程中由于發(fā)生擠壓變形， 與水平方向形成夾角， 由于夾雜物與基體組織不同， 且強度存在差異， 卷板在擠壓外力作用下形變不均勻而發(fā)生開裂。 在焊接熱循環(huán)及形變的雙重作用下， 裂紋沿金屬流線向焊接熔合區(qū)發(fā)生擴展， 甚至穿透鋼管外表面。 在焊縫超聲波檢測過程中，此類內(nèi)生夾雜物因異質(zhì)界面的存在形成反射波，易被檢測出。

4 卷板縱剪質(zhì)量對HFW 焊管成型及焊接質(zhì)量的影響

4.1 縱剪斷面質(zhì)量

對式(21)求導,用作為控制u3,k的標準二維雙積分系統(tǒng)替換式(16).然后,用式(17)～式(21)求解未知的關(guān)節(jié)位置和速度,求解非奇異系統(tǒng)得到關(guān)節(jié)加速度為

據(jù)中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料流通協(xié)會提供的數(shù)據(jù)，2012-2017年，供銷合作社系統(tǒng)農(nóng)資企業(yè)化肥銷售額分別是5236.93億元、5838.47億元、6093.6億元、6336.03億元、6322.47億元、6596.7億元。同一時期，供銷合作社系統(tǒng)農(nóng)資企業(yè)化學農(nóng)藥銷售額從334.39億元增加至610.05億元。在2017年較2016年銷售量下降的情況下，銷售額不降反增，表明以供銷合作社系統(tǒng)為代表的整個農(nóng)資流通行業(yè)實現(xiàn)了減量提質(zhì)發(fā)展，以綠色、高效為核心的轉(zhuǎn)型升級之路正在不斷深化推進。

如表1中依次給出了順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)的控制流程圖和控制依賴圖的結(jié)構(gòu)。為了方便表示，可以對程序的節(jié)點用0到n的自然數(shù)表示。其中程序的入口節(jié)點記作0節(jié)點，依次標號。

4.2 剪刃處板邊變形

使用圓盤剪對卷板進行縱剪后， 卷板邊緣在剪刃擠壓下會發(fā)生變形， 影響成型和焊接的質(zhì)量。 以一分為三的縱剪 “品字形” 剪刃配對為例， 剪切過程及成型效果如圖7 所示。 剪切厚卷板時， 剪刃側(cè)間隙變大， 卷板邊緣變形更加明顯。 若三條卷板采用相同的拆卷上料方式組織生產(chǎn)， 則1

卷板 與3

卷板經(jīng)成型后板邊圓弧對接平齊， 有利于帶圓弧的內(nèi)毛刺刀實現(xiàn)焊道內(nèi)毛刺的清除。 而2

卷板厚度及強度都較大的情況下， 容易出現(xiàn)成型不充分， 管坯表現(xiàn)為尖桃型

，焊縫區(qū)域呈尖角形， 由于內(nèi)毛刺刮刀兩側(cè)首先切入冷態(tài)母材部位， 因母材對刮刀的干涉， 刮刀抬升困難， 焊道根部的內(nèi)毛刺則無法徹底清除，容易形成內(nèi)毛刺殘留。 因此需根據(jù)剪刃配對方式及板邊變形趨勢， 合理選擇拆卷方式。

5 結(jié) 論

（1） 合理設(shè)計卷板化學成分， 通過冶煉、軋制工藝改進， 減少帶狀組織， 降低夾雜物， 提高原料純凈度， 可以有效提高HFW 焊管的焊接性和綜合性能。

（2） 從卷板軋制、 縱剪分條及銑邊等工序?qū)戆鍘缀纬叽缇冗M行精密控制， 可以為管坯精確成型和穩(wěn)定焊接提供保障， 同時有利于提升最終產(chǎn)品的幾何精度。

（3） 通過熱軋工藝及裝備優(yōu)化， 控制卷板鐮刀彎、 塔形、 波浪彎、 凹坑、 劃傷等外觀缺欠，可以有效提升HFW 焊管成型和焊接質(zhì)量， 提高成材率。

（4） 通過縱剪工藝優(yōu)化使得卷板獲得良好的斷面質(zhì)量， 同時在投料時選擇最優(yōu)的拆卷方式，可以為HFW 焊管成型和焊接及焊道毛刺清除創(chuàng)造良好條件。

[1] 畢宗岳，何石磊，李周波，等. 新型P110 鋼級SEW 石油套管研制[J]. 焊管，2013（4）:5-9.

[2] 美國石油協(xié)會. 管線鋼管：API SPEC 5L—2018 （第46版）[S]. 華盛頓，美國：美國石油協(xié)會出版業(yè)務部，2018：108-111.

[3] 王軍，畢宗岳，張峰，等. SEW 石油套管的開發(fā)[J]. 焊管，2006，39（7）：39-45.

[4] 馮釗棠，謝仕強，蘇騰太. ERW 鋼管焊縫沖擊韌性影響要素分析[J]. 焊管，2004，27 （5）：22-26.

[5] 趙坤，王晰，常海峰. 非金屬夾雜物對HFW 焊管質(zhì)量的影響[J]. 焊管，2015，38 （1）：63-65.

[6] 馮啟華. 高頻直縫焊管焊縫灰斑分析[J]. 焊管，1992，15（2）：20-23.

[7] 全國鋼標準化技術(shù)委員會.鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法：GB/T 10561[S]. 北京：中國標準出版社，2005.

[8] 介升旗.ERW 焊管壓扁試驗性能評價與提高[J]. 焊管，2005：（5）：77-80.

[9] 蘆琳. 掃描電鏡在HFW 焊接缺陷分析中的應用[J].焊管，2018，41（8）：54-59.

[10] 于光遠. 熱軋寬帶鋼質(zhì)量缺陷的研究[J]. 山西冶金，2017，170（6）： 111-113.

[11] 肖國章，高霞，李六五. 帶鋼質(zhì)量對HFW 焊管質(zhì)量的影響[J]. 焊管，2010（4）： 56-58.

[12] 全國鋼標準化技術(shù)委員會. 熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差：GB/T 709—2019[S]. 北京：中國標準出版社，2019.

[13] 王寧寧，侯彬，宋和川，等. 熱軋帶鋼質(zhì)量在線控制技術(shù)研究[J]. 軋鋼，2017：34（1）： 59-62.

[14] 介升旗，呂宏偉，劉麗. 圓盤剪縱剪鋼帶邊緣質(zhì)量影響因素[J]. 焊管，2010，33（5）：60-63.

[15] 陳浩明，畢宗岳，魯云飛. 中碳鋼HFW 焊管成型焊接質(zhì)量分析與改進[J]. 焊管，2019，42（9）：56-63.