王 哲，孫 乾，侯光達(dá)，鄭 力，李 承，楊 輝

（1 萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司黨校/培訓(xùn)中心，山東 濟(jì)南 271104；2 山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司，山東 濟(jì)南 271104）

1 前言

低合金熱軋鋼帶產(chǎn)品具有強(qiáng)韌性好、易焊接、加工彎折性好等優(yōu)異的使用性能，廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、船舶等各行業(yè)［1］，其中，低合金熱軋鋼帶制結(jié)構(gòu)方管因較好的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性，作為塔吊基管廣泛應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域［2］。在服役過(guò)程中，塔吊高空作業(yè)，風(fēng)雨、高溫、嚴(yán)寒等復(fù)雜天氣，對(duì)方形基管質(zhì)量及焊接性能要求極高［3］。本文針對(duì)某方管制造企業(yè)在鋼帶制管過(guò)程中，某7.75 mm 厚度規(guī)格鋼帶在彎折對(duì)焊后發(fā)現(xiàn)的焊縫斜向裂紋基管為研究對(duì)象，采用金相顯微鏡、火花直讀光譜儀、布氏硬度計(jì)等檢驗(yàn)工具，對(duì)試樣缺陷處組織、成分、布氏硬度等進(jìn)行多角度觀察分析，結(jié)合缺陷母材成分及力學(xué)性能檢測(cè)，分析可能引起焊后裂紋缺陷的原因及影響因素，為生產(chǎn)工藝優(yōu)化及施工防護(hù)，提供技術(shù)參考。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 試驗(yàn)材料

實(shí)際生產(chǎn)中，Q355B 低合金熱軋鋼帶執(zhí)行GB/T 1591—2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求，采用連鑄坯加熱后經(jīng)粗軋、精軋等工序，經(jīng)層流冷卻，卷取制成鋼帶。結(jié)合用戶技術(shù)要求，再經(jīng)平整、檢驗(yàn)、稱重、包裝等工序后吊裝入庫(kù)。其生產(chǎn)工藝流程為：鐵水預(yù)處理→頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉→LF 精煉→連鑄→加熱→軋制→冷卻→卷取→取樣、檢驗(yàn)→包裝入庫(kù)。

試驗(yàn)用鋼管為某方管制造企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中所使用的7.75 mm×1 055 mm 規(guī)格Q355B 熱軋鋼帶，在其制管過(guò)程中，對(duì)原料鋼帶進(jìn)行開(kāi)卷，沿開(kāi)卷鋼帶寬度方向進(jìn)行平均縱剪，均勻切分為三段，對(duì)每段鋼帶分別進(jìn)行彎折對(duì)焊，其中原始鋼帶切分后中間部分經(jīng)彎折、成型、焊接后發(fā)現(xiàn)存在半垂直于焊縫的斜向裂紋，鋼帶表面有輕微氧化鐵皮。

2.2 化學(xué)成分及力學(xué)性能檢驗(yàn)

對(duì)失效鋼管進(jìn)行切割取樣，試樣經(jīng)磨樣、拋光、洗滌風(fēng)干后，使用直讀光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析；切割修磨拋光制金相試樣，用4%濃度硝酸酒精侵蝕液侵蝕后，利用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相觀察；采用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)鋼帶母材進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)。

對(duì)試樣母材及焊縫處分別進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，結(jié)果如表1 所示。從表1 可知，試樣化學(xué)成分符合GB/T 1591—2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求。力學(xué)性能應(yīng)符合表2 要求，參照GB/T 228—2010《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》及GB/T 229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，在裂紋方管母材鋼帶靠近頭部、尾部、中間部位取橫向拉伸樣及縱向沖擊試樣各3 塊，進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，該鋼帶力學(xué)性能符合GB/T 1591—2018標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 力學(xué)性能

2.3 布氏硬度檢驗(yàn)

在裂紋鋼帶母材及裂紋兩側(cè)各取65 mm×85 mm 試樣一塊，表面修磨后，根據(jù)GB/T 231［2］.1—2009《金屬材料布氏硬度試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)其進(jìn)行布氏硬度檢驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)：施壓載荷為3 000 kg，載荷時(shí)間為20 s，在母材樣、裂紋樣焊縫處及焊縫附近10 mm 處依次測(cè)定10 數(shù)據(jù)點(diǎn)結(jié)果可知，受焊接熱應(yīng)力影響，焊縫處硬度最大，硬度集中在215～199 HBW；焊縫附近仍為焊接熱影響區(qū)，硬度較母材高，集中在185～196 HBW；母材樣硬度最小，波動(dòng)范圍最低，硬度集中在158～167 HBW。硬度檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)明顯異常，對(duì)彎折及焊接開(kāi)裂影響程度不大。

2.4 夾雜物分析與金相觀察

在方管裂紋處及母材基體處各取規(guī)格為20 mm×20 mm 金相樣，使用超聲波清洗儀清洗切割試樣，在18～80 μm砂紙上依次打磨橫截面，選取2.5 μm金剛石拋光劑進(jìn)行試樣拋光，再經(jīng)過(guò)超聲清洗、吹干后，對(duì)試樣通體進(jìn)行夾雜物存在與否及形貌觀察，如圖1所示。

圖1 裂紋樣與母材樣夾雜物觀察圖

非金屬夾雜物的存在會(huì)割裂基體組織連續(xù)性，其形態(tài)、尺寸、數(shù)量及分布將影響鋼基體塑韌性，鋼帶分剪或彎折焊接時(shí)，大形脆性?shī)A雜物的存在極可能誘發(fā)應(yīng)力集中，造成微裂紋甚至開(kāi)裂。由圖1可知，試樣夾雜物含量較少，純凈度較高，對(duì)兩個(gè)試樣由上至下通體掃描觀察，僅在裂紋樣上發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)度約75、23、27 μm 的C 類硅酸鹽夾雜物3 處，母材樣上發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)度約69 μm的C類硅酸鹽夾雜物1處。結(jié)合冶煉工藝，夾雜物總量控制在1 級(jí)之內(nèi)，夾雜物含量并不是引起裂紋的主要原因。

使用4%的硝酸酒精溶液對(duì)拋光試樣腐蝕后，進(jìn)行顯微組織觀察，根據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》、GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》等標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)其進(jìn)行組織分析及晶粒度評(píng)定。裂紋金相樣的金相組織為珠光體+鐵素體+少量貝氏體，晶粒度10 級(jí)；母材金相樣金相組織為珠光體+鐵素體+少量貝氏體，晶粒度10級(jí)。由此可知，裂紋方管母材及裂紋試樣組織與晶粒度評(píng)定，結(jié)果均符合GB/T 1591—2018標(biāo)準(zhǔn)要求，其金相組織形貌如圖2、圖3 所示。圖2 可知，宏觀上看裂紋為橫裂紋，切開(kāi)后裂紋實(shí)際為斜向裂紋，貫穿鋼帶全厚度，且晶粒均勻細(xì)小，組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏體，晶粒度約10 級(jí)，貝氏體一般出現(xiàn)在鋼帶精軋終軋溫度過(guò)高而水冷強(qiáng)度較大，卷取溫度低時(shí)，可提高基體強(qiáng)度，但對(duì)其韌性有一定影響，盡管裂紋附近處存在貝氏體，但含量極少，對(duì)韌性及加工、焊接性能影響有限；裂紋兩端無(wú)明顯脫碳及Si、Mn 氧化物析出，排除鑄坯原始裂紋，且未發(fā)現(xiàn)氧化鐵皮、金屬折疊，可排除軋制缺陷裂紋；再者，裂紋處金屬流向沿裂紋撕裂向內(nèi)延展，為應(yīng)力變形導(dǎo)致的應(yīng)力裂紋特征。結(jié)合圖3可知，母材金相組織、晶粒度與裂紋樣均一致，無(wú)明顯偏析帶及組織異常。綜上所示，母材鋼帶原始成分、組織、性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，未發(fā)現(xiàn)異常，從裂紋缺口金屬流向及應(yīng)力裂紋形貌可知，縱剪彎折焊后裂紋與剪切工藝有關(guān)。

圖2 裂紋樣金相組織

3 分析與討論

低合金鋼帶制管焊接斜向裂紋的形成，常見(jiàn)原因，一是母材鋼帶在冶煉、軋制時(shí)組織或邊部存在原始缺陷，二是剪切、彎折、焊接時(shí)操作不當(dāng)或工藝問(wèn)題導(dǎo)致的剪切缺陷。

（1）母材鋼帶冶煉時(shí)成分異常，硫、磷、砷等易誘發(fā)裂紋的元素含量高，形成偏析，或含量處于較高水平且分布不均、形態(tài)異常，誘發(fā)鋼基體塑、韌性下降，導(dǎo)致鋼材在受到外加載荷及焊接熱應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力集中，造成裂紋［4］。

（2）母材鋼帶在冶煉時(shí)鋼液未走精煉或精煉不足，鋼液中夾雜物及有害組織高，軋制時(shí)分布不均，對(duì)鋼基體連續(xù)性割裂效果明顯，尤其是當(dāng)存在大顆粒夾雜物或延展性高的A 類硫化物等夾雜時(shí)，嚴(yán)重降低母材塑性和韌性，形成不規(guī)則表面夾雜（夾層）、邊部翹皮等缺陷，嚴(yán)重影響彎折成型及焊接質(zhì)量［4-6］。

（3）板坯軋制過(guò)程，由于軋輥調(diào)整不好、輥型不合適或邊部溫度低，軋制時(shí)延伸不好，材料邊部的局部區(qū)域受到超過(guò)它的強(qiáng)度極限的應(yīng)力，導(dǎo)致鋼帶邊緣沿長(zhǎng)度方向一側(cè)或兩側(cè)產(chǎn)生破裂，有明顯的金屬掉肉、裂口，嚴(yán)重者呈鋸齒狀，該類缺陷嚴(yán)重影響對(duì)焊效率［6］。

（4）鋼帶開(kāi)卷時(shí)承受拉力、彎矩或剪力過(guò)大，達(dá)到甚至超過(guò)極限應(yīng)力，特別是當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)拉矯力控制不當(dāng)，設(shè)備波動(dòng)大，以及正常大載荷拉矯時(shí)，突然斷電或緊急狀況導(dǎo)致的設(shè)備急停，極易導(dǎo)致母材撕裂、斷帶。

（5）鋼帶分剪時(shí)，縱剪剪刀邊部存在缺口、銹蝕等缺陷，或者剪刃磨損、碎裂、存在其他損傷，或者剪切刃與鋼帶間隙設(shè)定誤差大，導(dǎo)致鋼帶切割不凈，沿著鋼帶切邊、切削飛邊或者剪切裂紋處誘發(fā)出飛鏢狀、星狀斷裂，與開(kāi)平后鋼帶約成45°斜角，低合金高強(qiáng)度鋼及耐磨鋼易產(chǎn)生此類缺陷。

（6）鋼帶經(jīng)圓盤(pán)剪分剪，由于圓盤(pán)剪剪刃老化、剪刃崩，或者剪切速度控制不當(dāng)，導(dǎo)致剪邊質(zhì)量差，使得鋼帶存在切邊毛刺、尖角、缺口等易造成應(yīng)力集中的缺陷點(diǎn)，嚴(yán)重時(shí)邊部呈現(xiàn)多肉或缺肉撕裂的現(xiàn)象，在外部受載或焊接時(shí)，極易沿著這些缺陷點(diǎn)延展，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效［7］。

綜上所述，結(jié)合方管縱剪焊后鋼帶的成分、硬度、金相組織及力學(xué)性能檢驗(yàn)，認(rèn)為該焊縫處裂紋是由于縱剪剪刃鈍化、剪切質(zhì)量不高導(dǎo)致的。主要原因如下：裂紋兩端及附近無(wú)明顯脫碳、Si、Mn氧化物析出，以及氧化鐵皮、金屬折疊，原始缺陷并非來(lái)自母材；同時(shí)，金相組織上裂紋處金屬流向沿裂紋撕裂向內(nèi)延展，為應(yīng)力變形導(dǎo)致的應(yīng)力裂紋特征；再者，該裂紋為斜向裂紋，貫穿鋼帶7.75 mm 全厚度。原始鋼帶分剪為3段，僅中間帶存在周期性非連續(xù)該類缺陷，因中間帶兩端均為剪刀切邊，剪刃鋒利程度及剪切質(zhì)量直接決定了彎折后對(duì)焊效率，剪刃鈍化導(dǎo)致鋼帶切邊撕裂出明顯的斜角裂口，引起了該類質(zhì)量問(wèn)題。

實(shí)際生產(chǎn)中，做好以下處理，可有效杜絕該類問(wèn)題：①定期檢查剪刀剪切刃，對(duì)服役到期或存在缺陷的剪刀及時(shí)更換，保證剪刃鋒利度，做好鋼帶表面及切邊精度處理，減少應(yīng)力集中，降低甚至杜絕剪切邊毛刺、微裂紋等隱患缺陷；②優(yōu)化剪切工藝，根據(jù)鋼帶厚度規(guī)格及牌號(hào)性能，選擇合理剪刀，調(diào)整好剪刃間隙；③鋼帶與剪切時(shí)的橡皮墊間隙調(diào)整到位，選擇高度、尺寸合適的橡皮墊或墊條，確保切割質(zhì)量及效率。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某方管制造企業(yè)在對(duì)7.75 mm×1 055 mm規(guī)格Q355B 低合金熱軋鋼帶進(jìn)行分剪彎折制造方管過(guò)程中，焊接后出現(xiàn)的斜向裂紋實(shí)際問(wèn)題，經(jīng)宏觀觀察，并在問(wèn)題方管上合理取樣，進(jìn)行了成分、硬度、金相組織及力學(xué)性能等試驗(yàn)觀察與表征，認(rèn)為母材鋼帶在化學(xué)成分、夾雜物含量、金相組織、晶粒度及力學(xué)性能等指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

綜合分析，認(rèn)為該缺陷主要因?yàn)殇搸Эv剪時(shí)因剪刃鈍化導(dǎo)致切邊撕裂形成的剪切裂口。實(shí)際生產(chǎn)中選擇合適縱剪刀具，定期維護(hù)保養(yǎng)，保證剪刃鋒利度，避免刀具銹蝕、磨損等應(yīng)力集中缺陷對(duì)鋼帶邊部剪切質(zhì)量的影響；同時(shí)優(yōu)化剪切工藝，根據(jù)鋼帶厚度規(guī)格及牌號(hào)性能，選擇合理剪刀，調(diào)整好剪刃間隙；根據(jù)鋼帶厚度及力學(xué)性能，合理布局剪切墊板，調(diào)節(jié)至合理高度，優(yōu)化剪切工藝，可有效避免該類焊后裂紋問(wèn)題。