郭志成, 刁旺戰(zhàn),2, 徐祥久,2

(1.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046;2.高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150046)

0 前言

Q345R鋼板，作為國內(nèi)用量最大、應(yīng)用范圍最廣的低合金鋼板之一，被廣泛應(yīng)用于壓力容器制造等領(lǐng)域。Q345R鋼板具有良好的工藝性能及力學(xué)性能，碳、硫、磷含量較低，錳含量較高，具有良好的抗結(jié)晶裂紋能力，對于30 mm厚度以下的鋼板，正常情況下不易出現(xiàn)焊接裂紋[1]。但對于厚度較大的Q345R軋制鋼板，很容易在鋼板心部出現(xiàn)微裂紋[2-4]。此外，隨著鋼板厚度的增加，焊接層數(shù)也隨之增加，焊接時產(chǎn)生裂紋的傾向也會變大。目前對于Q345R焊接缺陷的分析主要集中于結(jié)晶裂紋及冷裂紋等常見缺陷。文中對于容器及鍋爐產(chǎn)品制造過程中Q345R中厚板對接焊縫熱影響區(qū)出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行了取樣分析，判明了缺陷屬于熱裂紋中的液化裂紋。結(jié)合其他實驗數(shù)據(jù)以及相關(guān)文獻(xiàn)，分析了Q345R中厚板焊接過程中液化裂紋的成因，并提出了此類缺陷的返修方案及避免措施。

1 材料及焊接方法

某容器筒身材質(zhì)為正火態(tài)Q345R鋼板，厚度為70 mm。母材的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1和表2，均滿足GB/T713—2014的要求。按照NB/T 47013.3對鋼板邊緣及中心進(jìn)行了超聲波檢測，結(jié)果為I級合格。該容器環(huán)縫焊接坡口為GB/T 985.2中的UY形窄間隙埋弧焊焊接坡口，如圖1所示。內(nèi)側(cè)V形坡口采用焊條電弧焊封底，外側(cè)U形坡口采用埋弧焊。焊材選擇為GB E5015焊條、H08MnMoA焊絲及SJ101焊劑。

表1 鋼板主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 鋼板主要力學(xué)性能

圖1 坡口形式及尺寸

2 缺陷分析過程及結(jié)果

2.1 取樣及加工

該容器焊后在超聲波無損檢測過程中發(fā)現(xiàn)多條環(huán)縫均在板厚1/2深度處出現(xiàn)了環(huán)向的線性缺陷，總長度超過環(huán)縫的2/3。缺陷僅在焊縫一側(cè)出現(xiàn)，另一側(cè)檢測結(jié)果合格。在出現(xiàn)缺陷的焊縫上通過氣割取樣進(jìn)行分析，將取下的大塊試樣沿焊縫方向分割為40 mm厚切片，通過銑加工去除硬化層后對表面進(jìn)行滲透檢測，在試樣兩側(cè)焊縫截面上均發(fā)現(xiàn)了缺陷。

在缺陷處取金相試樣，通過光學(xué)顯微鏡進(jìn)行宏觀及微觀金相檢驗發(fā)現(xiàn)，缺陷位于熔合線靠近熱影響區(qū)一側(cè)。缺陷呈長條狀，延伸方向垂直于焊縫。缺陷表面及周邊具有明顯氧化痕跡，且為沿晶斷裂而非穿晶斷裂，因此判定為熱裂紋。微觀檢測結(jié)果如圖2所示。

圖2 缺陷部分的微觀檢測結(jié)果

2.2 金相檢驗結(jié)果

缺陷試樣母材部分金相檢測結(jié)果如圖3所示。圖3a為缺陷試樣母材部分(位于板厚中間)的金相組織照片，圖3b為相同試樣位于板厚邊緣部分母材的金相組織照片。圖4為使用相同焊接方法及焊接材料而未出現(xiàn)焊接缺陷的70 mm厚Q345R鋼板厚度中心處母材部分的金相檢測結(jié)果。根據(jù)GB/T 13299 《鋼的顯微組織評定方法》，對比可以發(fā)現(xiàn)存在缺陷的產(chǎn)品母材偏析程度(帶狀組織達(dá)4級，最高5級)高于未產(chǎn)生缺陷的產(chǎn)品。此外，在發(fā)現(xiàn)缺陷的產(chǎn)品母材厚度中心部分還分布著少量夾雜物。

2.3 掃描電子顯微鏡(SEM)及能譜分析(EDS)結(jié)果

利用掃描電子顯微鏡對試樣進(jìn)行放大觀察以及進(jìn)行能譜分析。圖5、圖6為缺陷及附近夾雜物的掃描電子顯微鏡(SEM)照片及能譜分析(EDS)結(jié)果，可以看到夾雜物成分以氧化鐵為主，同時含有硫等其他雜質(zhì)元素。

圖3 缺陷試樣母材部分金相檢測結(jié)果

圖4 未出現(xiàn)缺陷的Q345R鋼板(δ=70 mm)金相檢測結(jié)果

圖7、圖8及表3為圖2中缺陷內(nèi)部的掃描電子顯微鏡(SEM)照片及能譜分析(EDS)結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)缺陷內(nèi)部表面含有大量氧化物，同時碳元素、硅元素及錳元素含量大幅提高，已經(jīng)超過了國家標(biāo)準(zhǔn)(GB 713—2014)中規(guī)定Q345R的上限值(0.20%，0.55%，1.60%)。

圖5 夾雜物的SEM照片

圖6 夾雜物的EDS分析結(jié)果

圖7 缺陷內(nèi)部SEM照片

圖8 缺陷內(nèi)部區(qū)域EDS分析結(jié)果

表3 缺陷內(nèi)部區(qū)域EDS分析結(jié)果

3 分析與討論

3.1 缺陷類型及產(chǎn)生原因

熱裂紋主要分三種，分別為結(jié)晶裂紋、液化裂紋、失延裂紋及多邊化裂紋，其特征見表4[5]。

液化裂紋是一種在高溫下形成的熱裂紋，通常起源于緊靠焊縫熔合線的母材熱影響區(qū)內(nèi)[6]。電弧熔焊時，該區(qū)域被瞬時加熱到接近母材熔點的高溫，由于焊接熱循環(huán)的溫度梯度較大，散熱較快，熱影響區(qū)的母材本身尚未熔化，而晶界上的低熔點共晶相可能已完全熔化。當(dāng)焊接熔池冷卻時，這些低熔點共晶相尚未完全重新凝固，而接頭的焊接應(yīng)變已達(dá)到較高的水平，就會導(dǎo)致晶界上出現(xiàn)裂紋。這些晶間液膜的熔點愈低，重新凝固的時間愈長，則鋼材產(chǎn)生液化裂紋的傾向愈高。另一方面，在多層焊過程中，熱影響區(qū)在高溫停留的時間愈長，產(chǎn)生液化裂紋的傾向也會愈嚴(yán)重。

文中所研究的缺陷表面具有明顯氧化色彩，且具有沿晶界斷裂的特征。斷口表面主要成分為氧化物，斷口表面非常圓滑，表明是液膜分離的結(jié)果。除此之外裂紋位于母材熱影響區(qū)部分而非焊縫金屬區(qū)域，因此判定該缺陷為熱裂紋中的液化裂紋。

表4 熱裂紋的特征

根據(jù)液化裂紋的產(chǎn)生機(jī)理以及前文中的分析結(jié)果可知，該產(chǎn)品在焊接過程中中產(chǎn)生液化裂紋的主要原因在于，母材厚度中心位置的偏析過于嚴(yán)重，導(dǎo)致大量低熔點夾雜物(如硫化物、硅酸鹽、氧化物等)在該區(qū)域處聚集，高溫下就有可能形成液化裂紋。根據(jù)文獻(xiàn)論述，在Q345R等低合金鋼厚板中經(jīng)常出現(xiàn)由于偏析導(dǎo)致的夾雜物富集，這些區(qū)域極容易產(chǎn)生裂紋，這些裂紋同時也是鋼板無損檢測及力學(xué)性能測試不合格的主要原因。由于偏析的存在，熱軋鋼板的化學(xué)成分在厚度方向上分布極為不均。當(dāng)偏析極為嚴(yán)重時，就可能導(dǎo)致局部區(qū)域雜質(zhì)元素含量超標(biāo)，在焊接過程中就會產(chǎn)生裂紋。

液化裂紋其本身尺寸非常小，僅有0.5 mm左右，一般只有在金相顯微鏡下才能發(fā)現(xiàn)，但它往往會成為冷裂紋、再熱裂紋、脆性破壞和疲勞斷裂的發(fā)源地[7]。而大量相關(guān)資料說明，液化裂紋往往是導(dǎo)致母材出現(xiàn)宏觀裂紋以及運(yùn)行過程中發(fā)生事故的直接原因之一，因此必須在制造過程中予以消除[8-10]。

同時，由于多層埋弧焊的熱輸入較大，熱影響區(qū)范圍較寬，奧氏體晶粒較為粗大，降低了晶界強(qiáng)度，這些也是引起熱裂紋的重要因素[11]。當(dāng)母材中存在裂紋時，由于裂紋尖端的缺口效應(yīng)造成應(yīng)力、應(yīng)變的集中，很容易在焊接熱應(yīng)力的作用下沿力學(xué)性能較差的厚度中心區(qū)域及熱影響區(qū)擴(kuò)展[12-13]，形成與焊縫平行的線性裂紋。

3.2 缺陷返修及控制措施

對于這類由母材原因產(chǎn)生的缺陷，返修時應(yīng)格外注意。由于缺陷位于熱影響區(qū)，很容易向母材方向擴(kuò)展，因此在去除缺陷后除去表面無損檢測以外，還應(yīng)進(jìn)行對坡口兩側(cè)進(jìn)行超聲波檢測等內(nèi)部無損檢測。否則當(dāng)原焊縫中偏析嚴(yán)重區(qū)域與補(bǔ)焊時的熔合區(qū)及熱影響區(qū)重合時，很有可能再次產(chǎn)生新的裂紋[14-15]。在返修過程中應(yīng)盡可能控制焊接能量的輸入，并采用減小電流參數(shù)、窄焊道、多層多道焊等工藝措施來保證焊接質(zhì)量[16]。對于文中中出現(xiàn)缺陷的產(chǎn)品，為保證徹底去除缺陷，將整條環(huán)縫及周邊區(qū)域去除，檢測合格后重新加工坡口進(jìn)行焊接。返修采用焊條電弧焊及埋弧焊，采用小電流參數(shù)及更快的焊接速度焊接。返修后該焊縫重新檢測合格。

影響液化裂紋產(chǎn)生的主要因素有硼、鎳、鉻、硫、磷等元素的含量，以及焊縫接頭的應(yīng)力狀態(tài)等[7]。通過控制原材料中的元素含量，以及原材料生產(chǎn)過程中選用合適的工藝，可以極大的減小偏析，從而減少裂紋等缺陷的數(shù)量[2-4,17]。比如降低母材中的碳、硅含量，可以增強(qiáng)母材的焊接性，減少焊接缺陷的產(chǎn)生。此外，還應(yīng)嚴(yán)格控制母材以及硫、磷等雜質(zhì)元素含量。

4 結(jié)論

通過對于在容器產(chǎn)品制造過程中Q345R中厚板對接焊縫熱影響區(qū)出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行了取樣分析，判明了缺陷屬于熱裂紋中的液化裂紋。缺陷產(chǎn)生的原因一方面是軋制過程中硫化物等夾雜物在鋼板邊緣聚集，導(dǎo)致了應(yīng)力集中，另一方面由于中心偏析導(dǎo)致的碳、錳元素含量升高，導(dǎo)致中心區(qū)域力學(xué)性能下降，在焊接循環(huán)熱應(yīng)力的作用下裂紋從應(yīng)力集中處產(chǎn)生，并沿?zé)嵊绊憛^(qū)擴(kuò)展。通過控制母材偏析程度、減小返修焊接熱輸入等方法，有效減少了缺陷的產(chǎn)生。