張愛梅

（新疆八一鋼鐵股份有限公司制造管理部）

1 問題的提出

Q235B是碳素結(jié)構(gòu)鋼GB/T700中的牌號(hào)，由于其含碳量較低,具有優(yōu)良的焊接性，被廣泛用于焊管中。某鋼廠在使用Q235鋼生產(chǎn)HFW焊管時(shí)，在焊接接頭處發(fā)生開裂，裂紋與焊縫垂直。通過對(duì)其化學(xué)成分、非金屬夾雜物檢驗(yàn)、金相、掃描電鏡及能譜等檢測分析，查找該Q235B鋼管開裂失效的原因。

2 檢驗(yàn)與分析

開裂的焊管宏觀形貌如圖1所示。焊管的直徑為273mm，鋼板壁厚為7.5mm，其表面明顯的垂直于焊縫的橫向裂紋，橫穿整條焊縫，并延伸到母材上，裂紋貫穿整個(gè)鋼板厚度，裂紋的長度約為45mm。

2.1 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀對(duì)失效管進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖1 開裂鋼管的宏觀形貌

表1 Q235B焊管鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） wt%

從化學(xué)成分看：該焊管的成分符合GB/T709《碳素結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)化學(xué)成分的要求。

2.2 夾雜物檢驗(yàn)

根據(jù)中國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》，對(duì)該失效焊管進(jìn)行非金屬夾雜物進(jìn)行夾雜物評(píng)定，結(jié)果見表2和圖2。檢驗(yàn)結(jié)果表明：該夾雜物級(jí)別較低，該含量對(duì)于焊管用鋼性能的影響較小。

表2 夾雜物評(píng)定結(jié)果

圖2 Q235B焊管母材夾雜物

2.3 焊管母材金相分析

在焊管母材進(jìn)行組織檢驗(yàn)，組織形貌如3所示：組織為鐵素體+珠光體。這是Q235B鋼正常的組織，未發(fā)現(xiàn)其他任何非正常組織形態(tài)。

圖3 Q235B焊管母材組織100X

2.4 夏比沖擊試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 229金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法，對(duì)斷裂試件母材縱向取沖擊試樣,制成V型缺口,進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

試驗(yàn)樣的尺寸為10×5×55（mm），試驗(yàn)溫度為常溫，沖擊值分別為 48J、56J、53J(第一組)；62J、63J、60J(第二組)，滿足GB/700中對(duì)Q235B沖擊性能的要求，從焊縫、熱影響區(qū)部位取一組橫向沖擊樣進(jìn)行室溫沖擊性能試驗(yàn)，沖擊值均值只有12J。

2.5 斷口分析

在試件上取2個(gè)樣進(jìn)行分析，一塊取裂紋斷面，一塊取裂紋附近的焊接接頭橫截面。機(jī)械截取與裂紋長度相同的試塊，浸泡在液氮中，然后打開斷口,如圖4所示，斷面由于放置時(shí)間比較久，已經(jīng)完全生銹，采用弱酸清洗表面，以便觀察裂紋的起源與走向。

圖4 試樣斷面

對(duì)清洗后的斷口形貌進(jìn)行觀察（如圖5所示），可以看到裂紋的起源在焊縫的外表面，然后呈放射型向外擴(kuò)展。

圖5 斷面清洗后的斷口形貌

對(duì)啟裂源位置進(jìn)行掃描電鏡觀察（如圖6所示），啟裂點(diǎn)斷面以韌窩為主，伴有少量的準(zhǔn)解理斷面。同時(shí)對(duì)斷面特征位置進(jìn)行成分檢測（如圖6，圖7所示），圖7是對(duì)斷口上的表面附著物進(jìn)行檢測，其主要物質(zhì)是 Fe、K、Al、Si的氧化物，可能是未清洗干凈的浮銹。圖7是斷口基體的檢測，主要就是Fe和C。

圖6 啟裂位置的掃描及表面附著物掃描

圖7 基體掃描

斷口由于已經(jīng)經(jīng)過較長時(shí)間的銹蝕,清洗之后斷面有可能存在的一些夾渣物之類的物質(zhì)無法如實(shí)反映出來，從斷面斷裂的方式來看并非是脆性的解離斷面，因此啟裂和擴(kuò)展都需要較大的能量。

在斷口分析的基礎(chǔ)上取一個(gè)焊接接頭的截面（如圖8所示）進(jìn)行宏觀形貌檢查，焊縫的寬度最窄的部位有2.66mm，這對(duì)于HFW的焊縫來說顯得有點(diǎn)太寬，而且焊縫內(nèi)部有明顯的焊縫金屬外漏，且在焊縫內(nèi)部表面有裂紋。

圖8 焊接接頭宏觀照片

繼續(xù)對(duì)焊接接頭進(jìn)行金相組織分析，母材基本是由多邊形鐵素體和少量的珠光體組成（如圖9所示），晶粒大小較均勻，硬度值約在180HV10。

圖9 母材金相照片 100X

焊縫的金相組織分別如圖10所示，分別取焊縫的外部、中心和內(nèi)部。從100倍金相照片上可以看到在焊縫的寬度中央有一條明顯的鐵素體帶，而鐵素體帶的兩邊則有明顯的滲碳體析出。從200倍照片上可以看到在焊縫內(nèi)部和外部都有明顯的魏氏組織，而焊縫中心則沒有發(fā)現(xiàn)魏氏組織或者相對(duì)較少，這說明在焊接過程中焊縫出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，而在焊縫的外部和內(nèi)部更加突出，這與焊縫的形貌也能形成對(duì)應(yīng)關(guān)系焊縫的硬度達(dá)到約230HV10，這與焊縫中大量滲碳體的析出有關(guān)，也會(huì)導(dǎo)致焊縫的脆性增加。

圖10 焊縫的金相組織

3 分析與討論

（1）引起焊管的開裂原因一般與材料本身的質(zhì)量和焊接工藝有關(guān)。材料對(duì)開裂的影響主要表現(xiàn)在化學(xué)成分、非金屬夾雜物含量、金相組織等方面。從檢驗(yàn)分析結(jié)果可知化學(xué)成分滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，非金屬夾雜物含量都正常，基體組織為正常的鐵素體+珠光體組織。其沖擊韌性檢測，沖擊功值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求，材料表現(xiàn)出較好的抗撕裂能力。由此可以推斷焊管開裂與原材料本身的質(zhì)量無關(guān)。

（2）斷口的形貌分析。裂紋橫穿整條焊縫，并且擴(kuò)展至母材,啟裂點(diǎn)在焊縫表面，且斷裂面以韌窩為主伴有少量的準(zhǔn)解離形貌，說明在焊接方向受到很大的應(yīng)力或者彎矩，而導(dǎo)致開裂。

（3）金相組織分析。焊縫和熱影響區(qū)的過熱區(qū)出現(xiàn)較多魏氏組織。沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明：存在魏氏組織的焊縫及熱影響區(qū)的沖擊吸收能量與母材的試驗(yàn)結(jié)果相差明顯，是導(dǎo)致焊縫韌性下降的原因之一。一般將從晶界向晶內(nèi)生長的互成一定角度或彼此平行的片針狀α-Fe，稱之為魏氏組織。其形貌特征如圖11所示，是鋼的一種過熱缺陷，它使鋼的力學(xué)性能特別是沖擊性能和塑性顯著降低，因而使鋼容易發(fā)生脆性斷裂。魏氏組織的形成是在成分一定的情況下，與主要決定于化學(xué)成分奧氏體的晶粒大小和冷卻速度有關(guān)。

圖11 魏氏組織示意圖

為避免粗大多量的魏氏組織，焊接時(shí)必須控制奧氏體晶粒度大小及焊接冷卻速度。

4 結(jié)語

（1）此Q235B焊管開裂的原因是在焊接過程的應(yīng)力集中、焊縫和熱影響粗大較多的魏氏組織使材料的韌性下降共同作用的結(jié)果。

（2）為防止焊接過程中的應(yīng)力集中，建議焊接時(shí)采用合適的焊接結(jié)構(gòu)，避免未融合、未焊透、氣孔及焊縫過寬等缺陷的產(chǎn)生。

（3）分析焊縫熱影響區(qū)存在較多的魏氏組織，認(rèn)為這是焊接過程過熱的原因。結(jié)合焊縫的形貌以及焊縫內(nèi)部金屬的外漏情況，認(rèn)為現(xiàn)場焊接工藝不甚合理，導(dǎo)致了焊縫脆化，也是焊縫開裂的一個(gè)誘因。建議采用合適的焊接電流密度和焊接速度，控制焊接熔池冷卻速率，防止接頭晶粒粗大，預(yù)防魏氏組織產(chǎn)生。

致謝：檢測分析工作得到上海寶鋼研究院焊接與腐蝕防護(hù)技術(shù)研究所大力支持，在此表示感謝！