李雪東

（濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南250101）

1 前言

某重機(jī)有限公司采購了一批厚度規(guī)格為22 mm的Q345B鋼板，該批次鋼板進(jìn)廠檢驗時超聲探傷合格，但是制成大型挖掘機(jī)動臂后，在對動臂焊縫進(jìn)行超聲波探傷檢測時，發(fā)現(xiàn)其中1臺動臂的焊縫附近母材鋼板出現(xiàn)多處超聲波探傷不合格現(xiàn)象，對探傷不合格部位進(jìn)行超聲波測厚時發(fā)現(xiàn)顯示厚度在10～12 mm，僅為鋼板物理厚度的一半，疑似動臂鋼板中存在分層缺陷，該重機(jī)有限公司向鋼板生產(chǎn)商提出質(zhì)量異議。

2 檢測分析

鋼廠技術(shù)人員經(jīng)過核實確認(rèn)，疑似分層缺陷位于該動臂上護(hù)板的一側(cè)，現(xiàn)場共發(fā)現(xiàn)4處肉眼可見斷續(xù)開裂現(xiàn)象，開裂處距離鋼板上表面約10～12 mm。出現(xiàn)異議的鋼板訂單號為111021601120001，異議鋼板的爐號為6804654，訂單量41.448 t，坯料厚度為300 mm。

2.1 超聲波探傷檢測

根據(jù)NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測》標(biāo)準(zhǔn)要求，檢測設(shè)備選擇HS620脈沖反射式數(shù)字超聲波探傷儀，并選擇探頭公稱頻率為5 M、晶片尺寸為Φ20 mm的單晶直探頭，用1#板材試塊的Φ5 mm平底孔繪制距離-波幅曲線，并以此作為基準(zhǔn)靈敏度，對異議鋼板進(jìn)行超聲波檢測，檢測過程中發(fā)現(xiàn)距離鋼板兩側(cè)縱邊約20～30 mm范圍內(nèi)，部分位置存在帶狀超標(biāo)缺陷反射回波，缺陷深度約為鋼板厚度的一半，缺陷位置沒有出現(xiàn)鋼板一次底波明顯降低或消失現(xiàn)象；上護(hù)板中間部位鋼板滿足NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)I級檢測要求，未發(fā)現(xiàn)缺陷回波顯示，也未發(fā)現(xiàn)鋼板一次底波明顯降低或消失現(xiàn)象。

2.2 金相檢測

利用A型脈沖反射式數(shù)字超聲波探傷儀對動臂鋼板的最大缺陷回波部位進(jìn)行準(zhǔn)確定位，切取金相試樣時選取缺陷與軋制方向平行的部位，在垂直軋制方向剖開［1］，對橫截面進(jìn)行夾雜物、金相檢測及掃描電鏡能檢驗。金相試樣經(jīng)研磨拋光，在100倍顯微鏡下可見試樣中存在夾雜物、裂紋，見圖1。

圖1 裂紋及夾雜物形貌 100×

用濃度4%的硝酸酒精對金相試樣進(jìn)行浸蝕，并在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，金相檢測組織如圖2所示。顯微組織為典型的鐵素體+珠光體組織。試驗采用評級圖譜比照法對晶粒度進(jìn)行測量，肉眼可見晶粒度為8.5級。1/4部金相檢測未發(fā)現(xiàn)明顯異常組織。中心部位100倍下可見較為粗大貫穿視場的偏析帶，500倍下觀察偏析帶內(nèi)部存在裂紋。

2.3 掃描電鏡檢測

使用掃描電鏡檢測挖掘機(jī)動臂鋼板，發(fā)現(xiàn)在厚度中心部位存在明顯裂紋缺陷，裂紋附近存在夾雜物。對鋼板厚度中心部位的夾雜物進(jìn)行能譜分析可見夾雜物主要為MnS夾雜，較小的單個MnS夾雜物一般不會造成探傷不合格，但大量的MnS夾雜疊加存在，會使超聲波發(fā)生衰減［2］，造成鋼板探傷不合格。

3 分析與討論

從金相檢測分析結(jié)果可知，厚度規(guī)格為22 mm的Q345B挖掘機(jī)動臂鋼板中心存在帶狀偏析、裂紋及MnS夾雜物等缺陷，這些缺陷直接導(dǎo)致超聲波探傷不合格。

圖2 金相顯微鏡下缺陷部位金相組織

偏析缺陷是指鋼板中各組成元素在結(jié)晶時分布不均勻的現(xiàn)象。在鋼坯冷卻過程中，高熔點的化學(xué)成分首先在鋼液中凝固成為固體，低熔點的化學(xué)成分隨冷卻溫度的下降而逐漸凝固。由于冷卻速度快，已凝固的化學(xué)成分來不及擴(kuò)散，造成分布不均產(chǎn)生偏析，偏析破壞了鋼板的連續(xù)性，影響鋼板的力學(xué)性能。通過生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量追溯，確認(rèn)挖掘機(jī)動臂所用鋼板的爐號，該爐鋼是煉鋼生產(chǎn)過程的第一爐，由于中包耐材脫落、拉速變化、鋼水溫度等因素導(dǎo)致鋼水夾雜物有所增加，影響鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，導(dǎo)致三角區(qū)偏析較重。

高溫下MnS夾雜比鋼基體更容易變形，位于焊接熱影響區(qū)的MnS夾雜在焊接應(yīng)力的作用下變?yōu)殚L條狀；且MnS夾雜與基體的熱膨脹系數(shù)差異非常大，焊后冷卻過程中產(chǎn)生的收縮量存在差異，部分條狀MnS的尖端與基體結(jié)合部位產(chǎn)生裂紋源。隨著焊接應(yīng)力的增加，迅速擴(kuò)展形成微裂紋。裂紋缺陷破壞了鋼板厚度方向的連續(xù)性，導(dǎo)致鋼板兩側(cè)焊接熱影響區(qū)范圍內(nèi)，部分位置存在帶狀超聲波探傷超標(biāo)缺陷。

焊接工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，焊接線能量選擇過大，熱影響區(qū)過大溫度過高造成鋼板中心部位低熔點的化學(xué)成份被燒蝕，加之該鋼板在焊接時的拉力和鋼板彎曲應(yīng)力相互作用，在鋼板厚度中心最薄弱的偏析帶處出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象。

4 改進(jìn)措施

針對動臂鋼板出現(xiàn)的問題，追根溯源查找缺陷產(chǎn)生原因，并制定針對性措施，避免以后再發(fā)生類似質(zhì)量問題。對出現(xiàn)問題動臂進(jìn)行修補(bǔ)和更換鋼板重新焊接處理。后續(xù)生產(chǎn)該重工集團(tuán)的訂單，不再安排第一爐生產(chǎn)。

針對厚度規(guī)格＞20 mm的特殊用途的工程機(jī)械用鋼，煉鋼過程中增加冶煉真空處理工藝，強(qiáng)化精煉手段，從來源上控制好危害元素含量。加強(qiáng)KR鐵水預(yù)處理，強(qiáng)化LF、VD、連鑄等各環(huán)節(jié)的保護(hù)澆注，優(yōu)化吹氬和鈣處理操作，促進(jìn)夾雜物的變性和上浮。連鑄恒拉速穩(wěn)定操作，可減少夾雜物的卷入，連鑄坯下線采用堆垛緩冷方式，冷檢后再上線軋制，以促進(jìn)偏析元素的擴(kuò)散，提高鑄坯質(zhì)量，避免由于夾雜物或內(nèi)部組織差導(dǎo)致的鋼板探傷不合格。

鋼板軋制前要保證在加熱爐中擁有充足的加熱和保溫時間，增加生產(chǎn)車間的保溫措施，軋制成鋼板后采用堆垛緩冷方式來提高組織的均勻性并促進(jìn)偏析元素的擴(kuò)散，減輕偏析程度，進(jìn)一步提高鋼板的質(zhì)量。

對于非探傷要求鋼板增加出廠前的超聲波探傷檢驗工作，對探傷不合的鋼板進(jìn)行正火處理，能消除鋼板中心的偏析缺陷，均勻組織與成份，細(xì)化晶粒。

合理選擇焊接工藝參數(shù)，避免溫度過高、熱影響區(qū)過大造成化學(xué)成份燒蝕，合理選擇焊接順序減少焊接應(yīng)力與殘余變形。

5 結(jié)語

通過優(yōu)化鋼水成分并強(qiáng)化精煉措施，控制鋼中夾雜物含量，提高鋼水潔凈度和合理的澆鑄規(guī)范，并采取合理的軋制、熱處理及焊接規(guī)范，減少偏析與裂紋缺陷的產(chǎn)生，提高鋼板質(zhì)量，保證了成材率，減少了因探傷不合造成的工藝成本及異議損失。