Q345R钢埋弧焊焊缝开裂原因分析*

2020-04-13赵国仙

焊管 2020年3期

黄静，赵国仙，宋洋

（1.西安石油大学材料科学与工程学院，西安 710065；2.西安摩尔石油工程实验室股份有限公司，西安 710065）

在压力容器生产过程中，作为应用最广泛的压力容器材质——Q345R 钢，是低合金结构钢的一种，与普通碳素结构钢相比，具有强度高、耐腐蚀性好、用于工程结构制造质量轻、低温性能好等特点，但在焊接过程中出现裂纹的现象较为普遍，尤其是在进行自动埋弧焊焊接时，经常会产生焊接裂纹。焊接裂纹是焊接结构危害最大、最危险的一种缺陷，裂纹缺陷主要分为热裂纹、冷裂纹、层状撕裂等，此缺陷不仅可降低焊缝强度，更容易在裂缝的末端形成尖锐的缺口，进而引发严重的应力集中，造成焊接结构开裂，所以在焊接过程中要尽量避免焊接裂纹的产生[1-5]。本研究就某Q345R 钢埋弧焊过程中焊缝开裂原因进行分析。

焊件为Q345R 钢正火钢板，由多个形状不规则的块状试样拼接形成规格为Φ8 000 mm×68 mm×119 470 mm 的不规则圆筒状产品，在埋弧焊环向焊缝焊接过程中发生了开裂。焊接材料是焊丝（H10Mn2）+焊剂（F5P2-H10Mn2），焊接电流为 590～600 A，电压为 30～32 V，焊接速度为30～35 cm/min，焊前工件预热温度为 80～110 ℃。施工场地在海边，露天作业。与开裂焊缝左右相近的 4 个筒节，每节单重 36 327 kg。为了研究Q345R 钢在此焊接过程中焊缝发生开裂的原因，对该焊缝开裂处进行了检验和分析。

1 理化检验

1.1 宏观形貌

沿长度方向即焊接方向有一条贯穿试样的焊缝，每10 cm 拍一张照片，其中在垂直焊缝方向存在4 条极为明显的裂纹，如图1 红色方框所示。

图1 试样宏观形貌

利用4%HNO3+96%C2H5OH 溶液对试样横截面进行浸蚀，浸蚀时间约10 s，浸蚀后的试样横截面如图2 所示。

图2 浸蚀后的试样横截面照片

1.2 化学成分分析

利用ARL-3460 直读光谱仪，依据国标GB/T4336—2016 对试样的母材及焊缝区域任取两点进行化学成分检测。表1 为母材化学成分分析结果，表2 为焊缝化学成分分析结果，表3 为焊丝的化学成分。

由表1 和表2 可知，母材和焊缝金属的化学成分均满足GB/T 713—2014 《锅炉和压力容器用钢板》标准要求。

由表3 可知，焊丝H10Mn2 的化学成分既满足GB/T 5293—1999 《埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂》标准要求，也满足 GB/T 5293—2018 《埋弧焊用非合金钢及细晶粒钢实心焊丝、药芯焊丝和焊丝-焊剂组合分类要求》标准要求。

表1 母材化学成分分析结果 %

表2 焊缝化学成分分析结果 %

表3 焊丝H10Mn2 的化学成分 %

1.3 力学性能分析

1.3.1 硬度分析

在焊件横截面上截取硬度试样，选用HB-300B 布氏硬度试验机，依据ASTM E10-17 《金属材料布氏硬度标准试验方法》对试样的母材区、熔合区及焊缝区进行硬度测试，测试结果见表4。

表4 硬度测试结果

由表4 可见，母材的硬度平均值为176.7HBW，熔合区为 231.3HBW，焊缝区为193.7HBW。由于标准中对Q345R 钢的硬度无规定，因此该硬度测试结果仅供参考。但是可明确的是，焊缝区及熔合区的硬度高于母材，符合一般碳钢及低合金钢的规律。

1.3.2 冲击韧性分析

选用 ZBC2303-B 摆锤冲击试验机，依据ASTM E23-12c 标准，对试样尺寸为 10 mm×10 mm×55 mm 的焊缝金属进行0 ℃冲击试验，试验结果见表5。

表5 冲击韧性试验结果

由表5 可见，焊缝金属在0 ℃下的全尺寸冲击功平均值为157.2 J，远高于GB/T 713—2014《锅炉和压力容器用钢板》标准要求。

1.4 金相组织分析

采用 LEICA DMI3000M 型金相显微镜，依据国标 GB/T 13298—2015、 GB/T 6394—2017、GB/T 10561—2005 对试样的母材、热影响区及焊缝进行显微组织、晶粒度、非金属夹杂物种类及等级进行分析。图3 为母材、热影响区及焊缝的显微组织照片。

分析结果表明，母材、热影响区及焊缝区的非金属夹杂物均为D 类1.0 级，无其他夹杂。由图3 可知，母材的显微组织为细小的铁素体+珠光体的正火组织，并且存在带状组织，符合轧制钢的特征。热影响区的组织为马氏体上分布有羽毛状贝氏体和粒状贝氏体，晶粒较粗大。焊缝的显微组织基体为索氏体，有块状及针状铁素体沿柱状晶分布，晶粒较细小。

图3 试样显微组织 500×

2 分析与讨论

2.1 裂纹附近显微组织分析

焊件的平面划定及取样位置如图4 所示。由图4 可知，裂纹产生后，沿 z 轴及 x 轴方向扩展，最终形成垂直于焊缝方向（即oy 方向）的裂纹扩展面。因此，利用线切割仪器在焊件上割取带裂纹的试样，分别为 xoy 平面试样（1#）、yoz 平面试样（2#），如图5 所示。

图4 焊件的平面划定及取样位置

对试样裂纹附近的基体夹杂物种类及等级、显微组织进行分析，分别如图6 和图7 所示。由图6 和图7 可见，1#和 2#试样裂纹附近的夹杂物种类、等级及金相组织均无异常现象，且与未发生开裂部位的夹杂物种类、等级和金相组织具有相似的特征。并且由图6 （b）和图7 （b）可见，裂纹的扩展方式包括穿晶扩展与沿晶扩展两种方式。

图6 1#试样裂纹附近的基体夹杂物及金相组织

2.2 裂纹表面形貌分析

图7 2#试样裂纹附近的基体夹杂物及金相组织

图8 刨开后的裂纹表面

为了确定裂纹的开裂性质，沿着裂纹扩展面将存在裂纹的试样刨开（如图 8 所示）。由图 8 可见，裂纹扩展的范围极大，在 zox 面上沿着z 轴与x 轴两个方向扩展，肉眼即可观察到在产生裂纹的焊缝断面上发生了严重的氧化色彩，在整个焊缝区域内，已氧化成红褐色，由此可以判定该裂纹是在较高温度下发生的，并且整个宏观断口比较粗糙，因此，可以判断此焊接裂纹为热裂纹。热裂纹是在焊缝结晶后期温度较高时，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区时产生的，一般沿焊缝中心线纵向分布[6-7]。从理论上分析，引起焊缝热裂纹的原因有两点：一是低熔点杂质；二是焊接过程中的拉应力。拉应力是产生热裂纹的外因，晶界上的低熔点共晶体是产生热裂纹的内因，拉应力通过晶界上的低熔点共晶体而造成裂纹[8-9]。

热裂纹的特征是沿原奥氏体晶界开裂。 C 含量高时，S 在Fe 中的溶解度会降低，当钢和焊接材料中的S 含量过高时，热裂纹最容易产生。其主要原因是自由的S 在晶界集中，形成低熔点共晶体，又随着结晶方向聚集在焊缝中央，这时在冷却过程中，收缩应力与共晶体的联合作用促进了热裂纹的形成[3]。

图9 裂纹表面氧化物EDS 分析区域

表6 裂纹表面氧化物EDS 分析结果

对裂纹表面氧化物进行EDS 分析，分析区域如图9 所示，EDS 分析结果见表 6。由图9及表 6 可见，断口表面覆盖物中存在 C、 O、S、 Mn 及 Fe 元素。其中，O 的存在表明了断口在高温下被氧化生成了铁的氧化物。 S 是焊缝中常见的有害元素，促使焊缝金属产生热裂纹，降低冲击韧度和腐蚀性。 S 在各类钢中都会增大结晶裂纹的倾向，S 在液态金属中以FeS 形式存在，在钢中形成多种低熔点共晶体，使结晶过程极易形成液态薄膜，显著增大裂纹的倾向。在低合金高强钢中S 杂质含量超标，在焊缝结晶过程中存在偏析，形成低熔点共晶体。在焊缝金属凝固结晶后期，低熔点共晶体被排挤在柱状晶交汇的中心部位，形成液态薄膜，而此时由于焊缝凝固收缩产生拉伸应力，当拉伸应力所产生的应变大于焊缝金属所具有的塑性时，则在液态薄膜处就会开裂而形成裂纹[10]。

S 在焊剂中无法避免。经焊接冶金反应生成的硫化物FeS 和MnS，部分残存于焊缝，形成硫化物夹杂。有时也会因母材或焊丝中的含S 而形成硫化物夹杂。 S 在铁中有一定的溶解度，其值随温度变化较大。高温时，S 在δ 铁中的溶解度为0.18%，而在γ 铁中溶解度只有0.05%。焊后冷却过程中，当熔池结晶时，S 就从过饱和固溶体中析出而形成硫化物夹杂。在钢中硫化物夹杂主要有两种形态MnS 和FeS。一般地讲，相比较FeS 而言，MnS 夹杂的形态和分布对钢的力学性能影响不是很大，而FeS 则影响很大，因为熔池结晶时，FeS 沿晶界析出，并与 Fe 或 FeO 形成低熔点（988 ℃）共晶体，它是促成热裂纹的重要因素之一[11]。

除此之外，C 元素极易与钢中的其他元素形成低熔点共晶体，增加产生结晶裂纹的倾向。 Si 对焊缝金属抗热裂纹的影响与C 相似，Si 与Fe 也能形成低熔点共晶体，同时 Si 也能降低S 在Fe 中的溶解度，增加了产生结晶裂纹的倾向。 Mn 对抑制结晶裂纹的产生非常有利，Mn 的作用主要是它与 FeS 作用后生成MnS，MnS 本身的熔点比较高，又不会与其他元素形成低熔点共晶体，所以可降低S 的有害作用[12]。

在压力容器焊接中，热裂纹作为焊接过程中常见的焊接缺陷，其一般形成于焊缝内部，以结晶裂纹和液化裂纹为主。在高温条件下进行焊接时，焊缝内部的金属结晶之间一般存在液相层，在焊接温度不均匀、由温度变化产生的拉力大于内应力情况下，将使晶体层破裂，进而使焊缝产生结晶裂纹[13]，结晶裂纹是焊接熔池初次结晶过程中形成的裂纹，是焊缝金属沿初次结晶晶界的开裂[14]。裂纹面上有氧化色彩，没有金属光泽，即为结晶裂纹。结晶裂纹产生的部位是焊缝、热影响区、近缝区，通常发生在杂质较多的碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢等材料焊缝中[10]。产生结晶裂纹的原因有两方面因素：一是焊缝中存在液态薄膜；二是在焊缝凝固过程中受到拉伸应力，液态薄膜是产生结晶裂纹的内因，拉伸应力是产生结晶裂纹的必要条件[15]。

清除掉断口表面覆盖物之后对断口进行SEM 分析，如图10 所示。由图10 可见，裂纹沿晶扩展，且具有韧窝特征。