Q355B鋼是一種低合金高強度結構鋼,具有耐低溫、易焊接、良好的冷沖壓性和可切削性等優點,廣泛應用于橋梁、車輛、船舶、建筑、壓力容器、塔架、特種設備等領域。Q355B鋼焊管常用于氣體和液體等輸送管道中,隨著對焊管需求的不斷增加,一些焊管問題不斷出現,如焊接開裂、冷彎試驗開裂等[1-4]。 

某公司將Q355B熱軋帶鋼制作成規格為90 mm×9 m（外徑×長度）的直縫焊管,焊接后發現大批焊管存在開裂現象。該焊管的加工過程為：帶卷→切邊→成型→焊接→定尺。筆者采用宏觀觀察、金相檢驗、掃描電鏡（SEM）和能譜分析等方法研究焊管的開裂原因,以避免再次產生大批量該類缺陷。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

焊管開裂處位于焊接區域,裂紋長短不一且平行于焊縫,呈縱向分布,開裂焊管宏觀形貌如圖1所示。統計同批次焊管,發現現場開裂率達50%以上。 

圖  1  開裂焊管宏觀形貌

1.2   化學成分分析

從焊管未開裂處取樣,根據GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法（常規法）》對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：焊管的化學成分符合GB/T 1591—2018《低合金高強度結構鋼》對Q355B鋼的要求,且焊管材料的硫、磷元素含量較高。 

1.3   金相檢驗

在垂直于焊管開裂處截取試樣,將試樣研磨、拋光,并用硝酸乙醇溶液腐蝕后,使用光學顯微鏡和體視顯微鏡觀察試樣,結果如圖2所示。由圖2可知：開裂源附近存在大量密集分布的硫化物,且裂紋沿著夾雜物密集分布的方向擴展；對基體進行非金屬夾雜物檢測,發現基體處硫化物含量較高,硫化物最長處達到0.9 mm；將開裂源處的截面腐蝕后,發現開裂處位于焊接熱影響區,焊縫開裂側（對應帶鋼寬度中間部位）存在明顯的流線組織,且存在偏析條帶,焊縫處組織為珠光體+鐵素體+魏氏組織,基體處組織為鐵素體+珠光體,熱影響區呈對稱的雙曲線形,中心白色熔合線細直。 

圖  2  開裂處焊管試樣微觀形貌

1.4   掃描電鏡及能譜分析

使用掃描電子顯微鏡觀察硫化物,結果如圖3所示。由圖3可知：硫化物界面與基體存在明顯的孔隙,可見非金屬夾雜物破壞了鋼材基體間的連續性。 

圖  3  硫化物SEM形貌

在焊管開裂處打開,在斷口處截取試樣,并將試樣置于掃描電子顯微鏡下觀察,再對其進行能譜分析,結果如圖4~5所示。由圖4~5可知：斷口呈韌性開裂形貌,存在大量的韌窩,但韌窩較淺,斷口開裂源處存在大量光滑的平面；開裂源處偏聚的大量夾雜物為硫化物,這與金相檢驗結果一致。 

圖  4  斷口處SEM形貌及能譜分析結果

圖  5  斷口處元素面分布

2.   綜合分析

由理化檢驗結果可知：大量聚集分布的硫化物是焊管開裂的主要原因。 

高頻直縫焊管的原理是利用接觸焊或感應焊的方法,依靠金屬自身的電阻,將邊緣加熱至焊接溫度,使帶鋼焊接坡口邊緣產生高頻電流,再利用高頻加熱的集膚效應,使電流高度集中在焊管坡口邊緣,通過擠壓輥的作用,完成壓力焊接。對正常焊接區的要求為：熱影響區的微觀形貌是對稱雙曲線形,帶鋼中心部分的熱影響區寬度約為帶鋼厚度的1/4~1/3,細直的熔合線寬度為0.02~0.12 mm,金屬流線角為50°~70°,試樣焊接區完全符合以上要求[5]。焊接時感應電流優先從帶鋼邊緣的邊部和端部進入帶鋼并產生熱量,鋼中的碳元素向高溫邊緣區域擴散,當焊縫冷卻時,碳元素在該區域被吸收,造成熱影響區顏色略深于母材[6]。 

帶鋼硫化物含量較高,且在帶鋼板厚1/4處呈聚集分布狀態,破壞了基體的連續性和致密性[7],硫化物的偏聚往往同時伴隨著成分和組織的偏析[8]。高頻焊接時,硫化物在高溫變形時塑性較差,基體與夾雜物高溫塑性的差異使硫化物和基體邊界產生微裂紋[9],在焊接成形時,裂紋急速擴展并最終導致材料開裂。 

MnS與鋼基體的膨脹系數不同,凝固后,在夾雜物的區域范圍內形成了預破壞區。同時帶鋼在軋制過程中,MnS沿縱向延伸變形,形成條狀夾雜物,變形的MnS與鋼基體增加了界面,由于二者的膨脹量不同,因此冷卻時收縮量也不同,這樣MnS與鋼基體界面間就產生了內應力,減弱了二者間的結合力,此時微小的應變就能在界面間形成孔洞,孔洞間的橫向間距很小,但是當其超過極限應變范圍時,就會發生孔洞的聚合,引起開裂[10]。 

鋼中的硫化物是在鋼液凝固過程中產生的,硫化物自身屬于易偏聚塑性夾雜物,因而煉鋼過程中應該嚴格執行鋼液脫硫工藝,具體包含轉爐終點溫度控制、爐渣堿度比例配置、轉爐底吹攪拌模式[11]等。 

3.   結論及建議

（1）?帶鋼在熔煉時,其硫化物夾雜含量較高,且在連鑄時,內弧1/4厚度處產生夾雜物偏聚現象,破壞了基體的連續性,在加工應力的作用下,基體與夾雜物界面處產生應力集中,形成微裂紋。在焊接成型及焊接應力的作用下,應力集中的微裂紋造成焊管開裂。 

（2）建議控制原料質量,對系統進行控硫和降硫,以提高鋼水的純凈度,同時控制鋼中夾雜物的產生速率。建議首先選擇低硫含量的原材料,減少鐵水中硫元素；其次是煉鋼過程控制,如添加石灰、氧化鐵等脫硫劑,讓硫元素與脫硫劑反應生成易揮發的硫化物,優化煉鋼工藝,控制爐溫、爐壓、爐次等工藝參數,減少硫元素的吸收量；最后是控制爐渣中的硫元素含量,可以減少在鋼水中傳遞的硫元素。 

文章來源——材料與測試網