熱軋鋼板高頻直縫電阻焊接制管開裂原因

海 超, 郭曉靜

(本鋼板材股份有限公司 技術研究院, 本溪 117021)

高頻直縫焊接鋼管具有熱影響區小、尺寸精度高、壁厚均勻等優點，被廣泛用于石油化工、電力、農業灌溉、城市建設等領域。高頻直縫焊接鋼管采用帶鋼卷板為原材料，經過切割、預彎、連續成型后，在高頻電流的集膚效應和鄰近效應作用下，使得管坯邊緣熔化，在擠壓輥的作用下進行壓力焊接，制成鋼管產品。高頻直縫焊接鋼管的質量主要取決于焊縫的質量[1-4]。

某公司使用本鋼生產的1.5 mm厚熱軋鋼板(SPHC)生產高頻直縫電阻焊管(簡稱SPHC焊管)，管材焊接工藝流程為加熱→熔化→冶金反應并施加壓力→凝固→固態相變→形成焊縫→成管，在對SPHC焊管端部進行切削后發生開裂。為了分析了該SPHC焊管開裂的原因，筆者對其進行了一系列檢驗與分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

如圖1所示，SPHC焊管開裂起始位置在焊管端部，端部經機械加工成梯形，表面光滑，裂紋沿焊管焊縫中間位置進行擴展，擴展路徑較平直。

圖1 SPHC焊管開裂位置的宏觀形貌

1.2 化學成分分析

對開裂SPHC焊管進行化學成分分析，結果見表1。可知該開裂焊管的化學成分符合本鋼的內控標準。

表1 開裂SPHC焊管的化學成分

1.3 斷口分析

沿SPHC焊管開裂位置斷開后，在起裂位置及距起裂位置30 mm處分別截取橫向試樣，經超聲波清洗后，置于SUPRA55型掃描電鏡下觀察斷口的微觀形貌。

如圖2所示，SPHC焊管起裂位置的斷口主要呈準解理和解理斷裂形貌，可見剪切面、撕裂棱、解理臺階[5-6]，斷口表面有較多黑色孔洞，呈密集斑塊狀，近似于蜂巢狀，孔壁較光滑。幾個黑色孔洞的對稱軸線方向不一致，在起裂位置處黑色孔洞的對稱軸線方向主要垂直于裂紋擴展方向，該處孔洞分布較為集中。采用能譜儀對黑色孔洞表面進行分析，結果見圖3，可知其成分主要為鐵元素。

圖2 SPHC焊管表面裂紋不同位置的斷口微觀形貌

圖3 SPHC焊管起裂位置處斷口表面黑色孔洞的EDS分析位置和分析結果

對斷口附近焊縫及母材進行打磨、拋光后，使用游標卡尺測量出黑色孔洞的深度在0.2～1.8 mm。

1.4 金相檢驗

1.4.1 非金屬夾雜物檢驗

采用Imager.D1m型金相顯微鏡對SPHC焊管母材和焊縫處的非金屬夾雜物進行觀察。根據GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》標準,對SPHC焊管母材和焊縫進行非金屬夾雜物評級。由圖4和表2可見,SPHC焊管母材和焊縫處的非金屬夾雜物較少,非金屬夾雜物級別都符合標準要求。

表2 SPHC焊管母材和焊縫處的非金屬夾雜物評級

圖4 SPHC焊管母材及焊縫處的非金屬夾雜物的微觀形貌

1.4.2 顯微組織觀察

如圖5所示：對于SPHC焊管起裂位置處，焊縫的組織主要為貝氏體+鐵素體+魏氏組織，熱影響區組織主要為鐵素體+少量珠光體，母材組織為鐵素體；對于距起裂位置30 mm處裂紋附近區域，焊縫組織為貝氏體+鐵素體，熱影響區組織為鐵素體+少量珠光體;與距起裂位置30 mm處裂紋附近區域相比起裂位置處焊縫的晶粒尺寸粗大，母材晶粒較細小。

圖5 SPHC焊管起裂位置及距起裂位置30mm處裂紋附近不同區域的顯微組織

2 分析與討論

高頻直縫電阻焊管是采用10～500 kHz高頻電流進行焊接制成的。首先,將整塊鋼帶沿軋制方向截取一定寬度的窄鋼帶，將窄鋼帶置于制管機上，在擠壓輥作用下變形成兩端向內彎曲的管坯，并使兩個端面呈V形，即焊接區，V形的頂點是匯合點。然后，將焊接電流從電極直接輸入，在集膚效應和鄰近效應的共同作用下，電流主要集中于V形端面焊接區表層，其附近匯合點處的電流密度最大，即達到焊接鋼管所需要的電流密度，在擠壓輥作用下,管坯兩端熔融并焊接在一起。為了使焊接部位母材與焊材完全熔合到一起，達到全焊透，需要通過調整電流密度來控制焊接溫度。焊透率隨著焊接電流密度的增加而升高，但電流密度過大時，可能會使焊縫燒穿，進而造成鋼管焊接部位的強度和焊接質量下降。SPHC焊管起裂位置處斷口呈準解理斷裂特征，晶粒較粗大，且存在魏氏組織，說明在焊接過程中，鋼坯焊縫溫度偏高使晶粒長大[7],粗大的魏氏組織使焊管的韌性下降。

焊接電流過大引起的輸入功率過高是影響焊縫質量的主要因素。在焊接過程中，輸入功率較小時，管坯坡口面加熱溫度較低，達不到所需的焊接溫度,則會產生未焊透現象。輸入功率過大時，管坯坡口面加熱溫度過高會引起過熱或過燒，甚至使焊縫燒穿，造成熔化金屬形成針孔等缺陷[8]。通過斷口分析可知，SPHC焊管斷口上有許多黑色孔洞，孔洞的中心軸線方向分布無規律，尺寸最深的孔洞位于起裂位置處，其深度達到1.8 mm。綜上分析可知，在焊接過程中，SPHC焊管開裂部位的溫度高于正常焊接溫度，導致焊縫處出現大量孔洞，在切削加工后焊管發生開裂。

3 結論

在焊接過程中，焊接電流過大引起輸入功率過高，造成焊縫溫度過高，使SPHC焊管開裂位置處形成了粗大的魏氏組織和大量孔洞，從而導致焊管發生開裂。