Q235B焊管开裂原因分析

张爱梅

（新疆八一钢铁股份有限公司制造管理部）

1 问题的提出

Q235B是碳素结构钢GB/T700中的牌号，由于其含碳量较低,具有优良的焊接性，被广泛用于焊管中。某钢厂在使用Q235钢生产HFW焊管时，在焊接接头处发生开裂，裂纹与焊缝垂直。通过对其化学成分、非金属夹杂物检验、金相、扫描电镜及能谱等检测分析，查找该Q235B钢管开裂失效的原因。

2 检验与分析

开裂的焊管宏观形貌如图1所示。焊管的直径为273mm，钢板壁厚为7.5mm，其表面明显的垂直于焊缝的横向裂纹，横穿整条焊缝，并延伸到母材上，裂纹贯穿整个钢板厚度，裂纹的长度约为45mm。

2.1 化学成分分析

采用直读光谱仪对失效管进行化学成分检验，检验结果见表1。

图1 开裂钢管的宏观形貌

表1 Q235B焊管钢化学成分（质量分数） wt%

从化学成分看：该焊管的成分符合GB/T709《碳素结构钢》对化学成分的要求。

2.2 夹杂物检验

根据中国标准GB/T 10561《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》，对该失效焊管进行非金属夹杂物进行夹杂物评定，结果见表2和图2。检验结果表明：该夹杂物级别较低，该含量对于焊管用钢性能的影响较小。

表2 夹杂物评定结果

图2 Q235B焊管母材夹杂物

2.3 焊管母材金相分析

在焊管母材进行组织检验，组织形貌如3所示：组织为铁素体+珠光体。这是Q235B钢正常的组织，未发现其他任何非正常组织形态。

图3 Q235B焊管母材组织100X

2.4 夏比冲击试验

根据GB/T 229金属夏比缺口冲击试验方法，对断裂试件母材纵向取冲击试样,制成V型缺口,进行冲击试验。

试验样的尺寸为10×5×55（mm），试验温度为常温，冲击值分别为 48J、56J、53J(第一组)；62J、63J、60J(第二组)，满足GB/700中对Q235B冲击性能的要求，从焊缝、热影响区部位取一组横向冲击样进行室温冲击性能试验，冲击值均值只有12J。

2.5 断口分析

在试件上取2个样进行分析，一块取裂纹断面，一块取裂纹附近的焊接接头横截面。机械截取与裂纹长度相同的试块，浸泡在液氮中，然后打开断口,如图4所示，断面由于放置时间比较久，已经完全生锈，采用弱酸清洗表面，以便观察裂纹的起源与走向。

图4 试样断面

对清洗后的断口形貌进行观察（如图5所示），可以看到裂纹的起源在焊缝的外表面，然后呈放射型向外扩展。

图5 断面清洗后的断口形貌

对启裂源位置进行扫描电镜观察（如图6所示），启裂点断面以韧窝为主，伴有少量的准解理断面。同时对断面特征位置进行成分检测（如图6，图7所示），图7是对断口上的表面附着物进行检测，其主要物质是 Fe、K、Al、Si的氧化物，可能是未清洗干净的浮锈。图7是断口基体的检测，主要就是Fe和C。

图6 启裂位置的扫描及表面附着物扫描

图7 基体扫描

断口由于已经经过较长时间的锈蚀,清洗之后断面有可能存在的一些夹渣物之类的物质无法如实反映出来，从断面断裂的方式来看并非是脆性的解离断面，因此启裂和扩展都需要较大的能量。

在断口分析的基础上取一个焊接接头的截面（如图8所示）进行宏观形貌检查，焊缝的宽度最窄的部位有2.66mm，这对于HFW的焊缝来说显得有点太宽，而且焊缝内部有明显的焊缝金属外漏，且在焊缝内部表面有裂纹。

图8 焊接接头宏观照片

继续对焊接接头进行金相组织分析，母材基本是由多边形铁素体和少量的珠光体组成（如图9所示），晶粒大小较均匀，硬度值约在180HV10。

图9 母材金相照片 100X

焊缝的金相组织分别如图10所示，分别取焊缝的外部、中心和内部。从100倍金相照片上可以看到在焊缝的宽度中央有一条明显的铁素体带，而铁素体带的两边则有明显的渗碳体析出。从200倍照片上可以看到在焊缝内部和外部都有明显的魏氏组织，而焊缝中心则没有发现魏氏组织或者相对较少，这说明在焊接过程中焊缝出现过热现象，而在焊缝的外部和内部更加突出，这与焊缝的形貌也能形成对应关系焊缝的硬度达到约230HV10，这与焊缝中大量渗碳体的析出有关，也会导致焊缝的脆性增加。

图10 焊缝的金相组织

3 分析与讨论

（1）引起焊管的开裂原因一般与材料本身的质量和焊接工艺有关。材料对开裂的影响主要表现在化学成分、非金属夹杂物含量、金相组织等方面。从检验分析结果可知化学成分满足相关标准技术要求，非金属夹杂物含量都正常，基体组织为正常的铁素体+珠光体组织。其冲击韧性检测，冲击功值远远高于标准要求，材料表现出较好的抗撕裂能力。由此可以推断焊管开裂与原材料本身的质量无关。

（2）断口的形貌分析。裂纹横穿整条焊缝，并且扩展至母材,启裂点在焊缝表面，且断裂面以韧窝为主伴有少量的准解离形貌，说明在焊接方向受到很大的应力或者弯矩，而导致开裂。

（3）金相组织分析。焊缝和热影响区的过热区出现较多魏氏组织。冲击试验结果表明：存在魏氏组织的焊缝及热影响区的冲击吸收能量与母材的试验结果相差明显，是导致焊缝韧性下降的原因之一。一般将从晶界向晶内生长的互成一定角度或彼此平行的片针状α-Fe，称之为魏氏组织。其形貌特征如图11所示，是钢的一种过热缺陷，它使钢的力学性能特别是冲击性能和塑性显著降低，因而使钢容易发生脆性断裂。魏氏组织的形成是在成分一定的情况下，与主要决定于化学成分奥氏体的晶粒大小和冷却速度有关。

图11 魏氏组织示意图

为避免粗大多量的魏氏组织，焊接时必须控制奥氏体晶粒度大小及焊接冷却速度。

4 结语

（1）此Q235B焊管开裂的原因是在焊接过程的应力集中、焊缝和热影响粗大较多的魏氏组织使材料的韧性下降共同作用的结果。

（2）为防止焊接过程中的应力集中，建议焊接时采用合适的焊接结构，避免未融合、未焊透、气孔及焊缝过宽等缺陷的产生。

（3）分析焊缝热影响区存在较多的魏氏组织，认为这是焊接过程过热的原因。结合焊缝的形貌以及焊缝内部金属的外漏情况，认为现场焊接工艺不甚合理，导致了焊缝脆化，也是焊缝开裂的一个诱因。建议采用合适的焊接电流密度和焊接速度，控制焊接熔池冷却速率，防止接头晶粒粗大，预防魏氏组织产生。

致谢：检测分析工作得到上海宝钢研究院焊接与腐蚀防护技术研究所大力支持，在此表示感谢！