Q235B-Z 焊管焊縫處壓扁開裂原因分析與控制措施

果 超，張 丹，趙 瓊

（山西建龍實(shí)業(yè)有限公司技術(shù)中心，山西 運(yùn)城 043800）

0 引言

高頻直縫電阻焊接（High Frequency Electric Resistance Welding）管（全文簡(jiǎn)稱“HFW 焊管”）是利用電流的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)將分條帶鋼成型對(duì)接后的兩對(duì)邊迅速加熱到焊接溫度，進(jìn)行擠壓、焊合而成，如圖1 所示。近年來(lái)，隨著ERW 焊接技術(shù)的發(fā)展及焊管高的性價(jià)比，HFW 焊管在一般輸送用流體管、石油管、汽車管等領(lǐng)域的應(yīng)用漸廣，且普遍以Q235 碳素結(jié)構(gòu)鋼熱卷作為原料[1]。HFW 焊管的性能在很大程度上取決于焊縫的質(zhì)量，因此保證焊縫質(zhì)量成為該工藝的最關(guān)鍵點(diǎn)。某鋼廠因HFW 焊管焊縫開裂問(wèn)題，共計(jì)損失約50 余萬(wàn)元，其開裂形貌如圖2 所示，裂口位于焊縫一側(cè)，呈層狀，母材彎曲側(cè)完好。本文針對(duì)下游用戶在生產(chǎn)HFW 焊管時(shí)出現(xiàn)的壓扁開裂問(wèn)題，結(jié)合金相、低倍等檢測(cè)結(jié)果對(duì)應(yīng)于生產(chǎn)工藝，制定了一系列改善措施，徹底避免了此類缺陷。

圖1 直縫感應(yīng)焊原理

圖2 典型延焊縫壓扁開裂缺陷品

1 檢驗(yàn)分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，壓扁開裂的焊管焊縫處大多存在重皮及微裂紋等缺陷，將原料分條后，剪切處存在分層現(xiàn)象，宏觀形貌如圖3 所示。

圖3 母材分條處明顯可見分層缺陷

1.1 金相分析

經(jīng)金相檢測(cè)，焊管焊縫處金相分析結(jié)果如表1 所示，部分金相組織形貌如圖4—圖9 所示。

表1 焊管焊縫處金相檢測(cè)結(jié)果

圖4 母材分層低倍酸洗延伸線可見偏析帶

圖5 數(shù)條A 類夾雜

圖6 硫化帶

圖7 裂紋延伸處硫化物

圖8 開裂拼接局部放大帶狀組織

圖9 異常組織

通過(guò)金相分析初步確認(rèn)，分層及壓扁開裂與鋼中硫化物夾雜及帶狀呈主相關(guān)，鋼的異常粒B 組織增加了鋼的脆性，為次要因素。在這兩因素及焊接熱應(yīng)力、彎曲應(yīng)力影響下鋼材沿聚集的硫化帶延伸開裂。

1.2 缺陷機(jī)理分析

結(jié)合檢驗(yàn)、焊接及凝固等原理，分析壓扁開裂機(jī)理大致如下：HFW 焊接焊縫處熱影響區(qū)典型微觀形貌如圖10 所示。熱影響區(qū)形貌為腰鼓形狀，這是因?yàn)楦袘?yīng)電流優(yōu)先從帶鋼邊緣的邊部和端部進(jìn)入帶鋼產(chǎn)生熱量，鋼中的碳向高溫邊緣區(qū)域擴(kuò)散，當(dāng)焊縫冷卻時(shí)，碳被吸收在該區(qū)域，造成熱影響區(qū)顏色略深于母材[2]。焊接時(shí)焊縫熱影響區(qū)溫度一般控制在1 250～1 460℃[3]，而鋼中硫以FeS 形式存在，熔點(diǎn)為1 193 ℃，F(xiàn)e 與FeS 共晶體的熔點(diǎn)只有985 ℃。液態(tài)Fe 與FeS可以無(wú)限互溶，但FeS 于固態(tài)鐵的溶解度很小，僅為0.015%～0.020%。當(dāng)鋼中的硫含量較高時(shí)，在冷卻凝固過(guò)程中產(chǎn)生偏析，F(xiàn)e-FeS 以低熔點(diǎn)的共晶體呈網(wǎng)狀分布于晶界處。因此，高頻焊接溫度下熱影響區(qū)內(nèi)硫化物等低熔點(diǎn)夾雜會(huì)重新熔融和聚合，且由于溫度梯度及偏析的存在，造成低熔點(diǎn)夾雜延流線的不均衡分布，且越靠近原母材偏析帶和高溫區(qū)，夾雜物分布越多。

圖10 熱影響區(qū)形貌

此外，鋼中還有一些如Al2O3等高熔點(diǎn)脆性?shī)A雜，低熔共晶物質(zhì)或脆硬相在焊接加熱和擠壓時(shí)受到剪切力的作用，沿?zé)崃棵芰髑€上升形成鉤狀流線，冷卻時(shí)凝固成片層狀而斷續(xù)分布在晶界處，嚴(yán)重時(shí)成為裂紋源，如圖11 所示[3]。通過(guò)回溯生產(chǎn)過(guò)程工藝探討造成此類缺陷產(chǎn)生的主要原因。

圖11 低熔點(diǎn)夾雜重熔后鉤狀流線（50×）

2 煉鋼工藝追溯與分析

2.1 工藝流程

某鋼廠Q235B-Z 工藝流程：高爐鐵水一罐到底→轉(zhuǎn)爐→吹氬站→板坯連鑄。

板坯產(chǎn)線工裝匹配：高爐w（S）≤0.030%的比例累計(jì)75.70%，無(wú)混鐵爐及魚雷罐；單KR 預(yù)處理站利用率極低，脫硫鐵不足3%，鐵水摻兌或直兌；2 座120 t轉(zhuǎn)爐，冶煉周期30～35 min，采用兩爐三機(jī)生產(chǎn)模式；3臺(tái)板坯均為單機(jī)單流1 030～1 365 mm 斷面鑄機(jī)，連鑄周期30～50 min；采用鋁脫氧后吹氬直上的高效低成本生產(chǎn)方式。

2.2 鋼中成分控制

產(chǎn)生質(zhì)量異議的Q235B-Z 成分控制如表2 所示。

工藝追溯爐次統(tǒng)計(jì)：平均w（P+S）為0.044%，w（P+S）超0.044%的爐次占比高達(dá)61.11%；m（Mn）/m（S）均值16.46，m（Mn）/m（S）≥20 的爐次占比35.71%；平均w（S）為0.022%，w（S）超0.020%的爐次占比71.46%。

2.3 連鑄控制及設(shè)備

兩爐三機(jī)生產(chǎn)模式下，轉(zhuǎn)爐供鋼不均衡導(dǎo)致連鑄恒速率不足60%。直上鋼中氧化鋁夾雜水平較高，易導(dǎo)致連鑄絮流。連鑄各澆次從第7—10 爐起，因受氧化鋁聚集墊棒影響，塞棒處于40～60 mm 高棒位操作且不可逆轉(zhuǎn)，浸入式水口壽命平均不足2.8 h。中包上水口絮狀物脫落和壓把到底無(wú)行程、浸入式水口堵塞偏流等非穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象常見。

3 臺(tái)板坯鑄機(jī)中1、2 號(hào)機(jī)為8 m 直弧鑄機(jī)，二冷12 個(gè)段冶金長(zhǎng)度19.8 m、鑄機(jī)長(zhǎng)度30 m，無(wú)電攪及輕壓下等功能，扇形段開口度按±30 mm 調(diào)測(cè)，合格率不足85%。4 號(hào)機(jī)為2019 年新建高效鑄機(jī)，以生產(chǎn)低碳鋼為主，兩爐三機(jī)時(shí)Q235B-Z 基本在1、2 號(hào)機(jī)生產(chǎn)，拉速1.2～1.3 m/min。為確保直上鋁鋼的澆注，中包過(guò)熱度按25～40 ℃中上線控制。

2.4 板坯低倍

板坯Q235B-Z 低倍評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：?jiǎn)雾?xiàng)不超2.5 級(jí)、綜合裂紋不超4.5 級(jí)計(jì)為合格。1、2 號(hào)機(jī)板坯Q235B-Z 低倍評(píng)級(jí)合格率僅為37.50%。質(zhì)量異議對(duì)應(yīng)澆次低倍抽檢情況如圖12、表3 及表4 所示。

表3 質(zhì)量異議對(duì)應(yīng)澆次生產(chǎn)參數(shù)

表4 低倍評(píng)級(jí)結(jié)果 單位：級(jí)

圖12 質(zhì)量異議澆次板坯低倍形貌及評(píng)級(jí)情況

2.5 工藝追溯分析

受兩爐三機(jī)不均衡生產(chǎn)、較落后的鑄機(jī)裝備、無(wú)配套的控硫措施、低成本直上工藝鋼質(zhì)差等因素影響，生產(chǎn)的Q235B-Z 硫含量不穩(wěn)定，連鑄長(zhǎng)期非穩(wěn)態(tài)澆注，氧化鋁夾雜偏高流動(dòng)性差，鑄坯凝固過(guò)程鋼水補(bǔ)縮能力不足，柱狀晶前沿各夾雜易析出為裂紋源，實(shí)物板坯低倍偏析和裂紋嚴(yán)重。這些缺陷熱軋后難以焊合為偏析帶，最終影響了HFW 焊管的焊縫質(zhì)量。

3 控制措施

為改善Q235B-Z 板坯內(nèi)質(zhì)，某鋼廠立足于自身現(xiàn)有條件，進(jìn)行了針對(duì)性工藝優(yōu)化改善，效果明顯。

1）系統(tǒng)控硫降硫：從全面啟用KR 脫硫和出鋼至氬站強(qiáng)化頂渣改質(zhì)渣洗脫硫兩方面入手，優(yōu)化生產(chǎn)后，KR 脫硫鐵滿足了低硫鐵需求，爐后小精煉脫硫率達(dá)到50%～70%。實(shí)現(xiàn)了Q235B-Z 鋼種100%脫硫處理，將成品w（S）控制到0.015%以下，30%的爐次w（C）控制在0.010%以下。

2）頂渣改質(zhì)+鈣處理：為解決連鑄絮流問(wèn)題，提高鋼水純凈度及流動(dòng)性，在渣洗脫硫基礎(chǔ)上，實(shí)施了氬站鈣處理工藝。改質(zhì)處理后，連鑄結(jié)晶器液面±4 mm 合格率提高到95%以上，上水口棒位基本穩(wěn)定在10～20 mm，浸入式水口再無(wú)堵塞偏流現(xiàn)象。

3）恒速率提升及生產(chǎn)路徑調(diào)整：由1、2 號(hào)鑄機(jī)生產(chǎn)，結(jié)合生產(chǎn)部門調(diào)配兩分廠鐵水量及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，確保板坯產(chǎn)線兩爐兩機(jī)均衡生產(chǎn)時(shí)恒速率達(dá)到90%以上。采用兩爐三機(jī)生產(chǎn)時(shí)，在配有自動(dòng)輕壓下等先進(jìn)功能的4 號(hào)板坯鑄機(jī)上生產(chǎn)。

4）1、2 號(hào)鑄機(jī)的維護(hù)及改造：針對(duì)二冷0—2 段配水量偏低且不均勻和出結(jié)晶器0—1 段支撐輥間距30 cm 偏大問(wèn)題，優(yōu)化了二冷配水及扇形段輥列，解決了成品w（C）進(jìn)入0.15%附近包晶區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)鼓肚共振后結(jié)晶器液面不穩(wěn)的問(wèn)題。生產(chǎn)該用戶鋼種時(shí)，開機(jī)前水平段按開口度目標(biāo)負(fù)差控制，實(shí)現(xiàn)了相近似靜態(tài)輕壓下操作。

5）實(shí)物檢測(cè)把關(guān)：針對(duì)該用戶用途，建立了組批抽檢熱卷尾部剪切質(zhì)量和其低倍酸蝕檢測(cè)制度、折彎?rùn)z測(cè)機(jī)制，減少問(wèn)題品的出廠。

4 控制效果

相關(guān)措施有效落地后，從2022 年5 月至今，再未發(fā)生過(guò)HFW 焊管批量壓扁開裂質(zhì)量問(wèn)題，將HFW焊管用途質(zhì)量訴賠率控制到了“零”。