低合金钢制方管焊后斜向裂纹的原因分析与改进措施

王 哲，孙 乾，侯光达，郑 力，李 承，杨 辉

（1 莱芜钢铁集团有限公司党校/培训中心，山东 济南 271104；2 山东钢铁股份有限公司莱芜分公司，山东 济南 271104）

1 前言

低合金热轧钢带产品具有强韧性好、易焊接、加工弯折性好等优异的使用性能，广泛应用于建筑、桥梁、船舶等各行业［1］，其中，低合金热轧钢带制结构方管因较好的力学性能和经济性，作为塔吊基管广泛应用于建筑工程领域［2］。在服役过程中，塔吊高空作业，风雨、高温、严寒等复杂天气，对方形基管质量及焊接性能要求极高［3］。本文针对某方管制造企业在钢带制管过程中，某7.75 mm 厚度规格钢带在弯折对焊后发现的焊缝斜向裂纹基管为研究对象，采用金相显微镜、火花直读光谱仪、布氏硬度计等检验工具，对试样缺陷处组织、成分、布氏硬度等进行多角度观察分析，结合缺陷母材成分及力学性能检测，分析可能引起焊后裂纹缺陷的原因及影响因素，为生产工艺优化及施工防护，提供技术参考。

2 试验材料及方法

2.1 试验材料

实际生产中，Q355B 低合金热轧钢带执行GB/T 1591—2018《低合金高强度结构钢》标准要求，采用连铸坯加热后经粗轧、精轧等工序，经层流冷却，卷取制成钢带。结合用户技术要求，再经平整、检验、称重、包装等工序后吊装入库。其生产工艺流程为：铁水预处理→顶底复吹转炉冶炼→LF 精炼→连铸→加热→轧制→冷却→卷取→取样、检验→包装入库。

试验用钢管为某方管制造企业生产过程中所使用的7.75 mm×1 055 mm 规格Q355B 热轧钢带，在其制管过程中，对原料钢带进行开卷，沿开卷钢带宽度方向进行平均纵剪，均匀切分为三段，对每段钢带分别进行弯折对焊，其中原始钢带切分后中间部分经弯折、成型、焊接后发现存在半垂直于焊缝的斜向裂纹，钢带表面有轻微氧化铁皮。

2.2 化学成分及力学性能检验

对失效钢管进行切割取样，试样经磨样、抛光、洗涤风干后，使用直读光谱仪对试样进行化学成分分析；切割修磨抛光制金相试样，用4%浓度硝酸酒精侵蚀液侵蚀后，利用光学显微镜进行金相观察；采用万能拉伸试验机对钢带母材进行力学性能检测。

对试样母材及焊缝处分别进行化学成分检测，结果如表1 所示。从表1 可知，试样化学成分符合GB/T 1591—2018《低合金高强度结构钢》标准要求。力学性能应符合表2 要求，参照GB/T 228—2010《金属材料室温拉伸试验方法》及GB/T 229—2020《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，在裂纹方管母材钢带靠近头部、尾部、中间部位取横向拉伸样及纵向冲击试样各3 块，进行力学性能检验，结果见表2。由表2可知，该钢带力学性能符合GB/T 1591—2018标准的要求。

表2 力学性能

2.3 布氏硬度检验

在裂纹钢带母材及裂纹两侧各取65 mm×85 mm 试样一块，表面修磨后，根据GB/T 231［2］.1—2009《金属材料布氏硬度试验》标准要求，对其进行布氏硬度检验。试验参数：施压载荷为3 000 kg，载荷时间为20 s，在母材样、裂纹样焊缝处及焊缝附近10 mm 处依次测定10 数据点结果可知，受焊接热应力影响，焊缝处硬度最大，硬度集中在215～199 HBW；焊缝附近仍为焊接热影响区，硬度较母材高，集中在185～196 HBW；母材样硬度最小，波动范围最低，硬度集中在158～167 HBW。硬度检测未发现明显异常，对弯折及焊接开裂影响程度不大。

2.4 夹杂物分析与金相观察

在方管裂纹处及母材基体处各取规格为20 mm×20 mm 金相样，使用超声波清洗仪清洗切割试样，在18～80 μm砂纸上依次打磨横截面，选取2.5 μm金刚石抛光剂进行试样抛光，再经过超声清洗、吹干后，对试样通体进行夹杂物存在与否及形貌观察，如图1所示。

图1 裂纹样与母材样夹杂物观察图

非金属夹杂物的存在会割裂基体组织连续性，其形态、尺寸、数量及分布将影响钢基体塑韧性，钢带分剪或弯折焊接时，大形脆性夹杂物的存在极可能诱发应力集中，造成微裂纹甚至开裂。由图1可知，试样夹杂物含量较少，纯净度较高，对两个试样由上至下通体扫描观察，仅在裂纹样上发现长度约75、23、27 μm 的C 类硅酸盐夹杂物3 处，母材样上发现长度约69 μm的C类硅酸盐夹杂物1处。结合冶炼工艺，夹杂物总量控制在1 级之内，夹杂物含量并不是引起裂纹的主要原因。

使用4%的硝酸酒精溶液对抛光试样腐蚀后，进行显微组织观察，根据GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》、GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》等标准要求，对其进行组织分析及晶粒度评定。裂纹金相样的金相组织为珠光体+铁素体+少量贝氏体，晶粒度10 级；母材金相样金相组织为珠光体+铁素体+少量贝氏体，晶粒度10级。由此可知，裂纹方管母材及裂纹试样组织与晶粒度评定，结果均符合GB/T 1591—2018标准要求，其金相组织形貌如图2、图3 所示。图2 可知，宏观上看裂纹为横裂纹，切开后裂纹实际为斜向裂纹，贯穿钢带全厚度，且晶粒均匀细小，组织为铁素体+珠光体+少量贝氏体，晶粒度约10 级，贝氏体一般出现在钢带精轧终轧温度过高而水冷强度较大，卷取温度低时，可提高基体强度，但对其韧性有一定影响，尽管裂纹附近处存在贝氏体，但含量极少，对韧性及加工、焊接性能影响有限；裂纹两端无明显脱碳及Si、Mn 氧化物析出，排除铸坯原始裂纹，且未发现氧化铁皮、金属折叠，可排除轧制缺陷裂纹；再者，裂纹处金属流向沿裂纹撕裂向内延展，为应力变形导致的应力裂纹特征。结合图3可知，母材金相组织、晶粒度与裂纹样均一致，无明显偏析带及组织异常。综上所示，母材钢带原始成分、组织、性能均符合标准要求，未发现异常，从裂纹缺口金属流向及应力裂纹形貌可知，纵剪弯折焊后裂纹与剪切工艺有关。

图2 裂纹样金相组织

3 分析与讨论

低合金钢带制管焊接斜向裂纹的形成，常见原因，一是母材钢带在冶炼、轧制时组织或边部存在原始缺陷，二是剪切、弯折、焊接时操作不当或工艺问题导致的剪切缺陷。

（1）母材钢带冶炼时成分异常，硫、磷、砷等易诱发裂纹的元素含量高，形成偏析，或含量处于较高水平且分布不均、形态异常，诱发钢基体塑、韧性下降，导致钢材在受到外加载荷及焊接热应力时，应力集中，造成裂纹［4］。

（2）母材钢带在冶炼时钢液未走精炼或精炼不足，钢液中夹杂物及有害组织高，轧制时分布不均，对钢基体连续性割裂效果明显，尤其是当存在大颗粒夹杂物或延展性高的A 类硫化物等夹杂时，严重降低母材塑性和韧性，形成不规则表面夹杂（夹层）、边部翘皮等缺陷，严重影响弯折成型及焊接质量［4-6］。

（3）板坯轧制过程，由于轧辊调整不好、辊型不合适或边部温度低，轧制时延伸不好，材料边部的局部区域受到超过它的强度极限的应力，导致钢带边缘沿长度方向一侧或两侧产生破裂，有明显的金属掉肉、裂口，严重者呈锯齿状，该类缺陷严重影响对焊效率［6］。

（4）钢带开卷时承受拉力、弯矩或剪力过大，达到甚至超过极限应力，特别是当现场拉矫力控制不当，设备波动大，以及正常大载荷拉矫时，突然断电或紧急状况导致的设备急停，极易导致母材撕裂、断带。

（5）钢带分剪时，纵剪剪刀边部存在缺口、锈蚀等缺陷，或者剪刃磨损、碎裂、存在其他损伤，或者剪切刃与钢带间隙设定误差大，导致钢带切割不净，沿着钢带切边、切削飞边或者剪切裂纹处诱发出飞镖状、星状断裂，与开平后钢带约成45°斜角，低合金高强度钢及耐磨钢易产生此类缺陷。

（6）钢带经圆盘剪分剪，由于圆盘剪剪刃老化、剪刃崩，或者剪切速度控制不当，导致剪边质量差，使得钢带存在切边毛刺、尖角、缺口等易造成应力集中的缺陷点，严重时边部呈现多肉或缺肉撕裂的现象，在外部受载或焊接时，极易沿着这些缺陷点延展，导致结构失效［7］。

综上所述，结合方管纵剪焊后钢带的成分、硬度、金相组织及力学性能检验，认为该焊缝处裂纹是由于纵剪剪刃钝化、剪切质量不高导致的。主要原因如下：裂纹两端及附近无明显脱碳、Si、Mn氧化物析出，以及氧化铁皮、金属折叠，原始缺陷并非来自母材；同时，金相组织上裂纹处金属流向沿裂纹撕裂向内延展，为应力变形导致的应力裂纹特征；再者，该裂纹为斜向裂纹，贯穿钢带7.75 mm 全厚度。原始钢带分剪为3段，仅中间带存在周期性非连续该类缺陷，因中间带两端均为剪刀切边，剪刃锋利程度及剪切质量直接决定了弯折后对焊效率，剪刃钝化导致钢带切边撕裂出明显的斜角裂口，引起了该类质量问题。

实际生产中，做好以下处理，可有效杜绝该类问题：①定期检查剪刀剪切刃，对服役到期或存在缺陷的剪刀及时更换，保证剪刃锋利度，做好钢带表面及切边精度处理，减少应力集中，降低甚至杜绝剪切边毛刺、微裂纹等隐患缺陷；②优化剪切工艺，根据钢带厚度规格及牌号性能，选择合理剪刀，调整好剪刃间隙；③钢带与剪切时的橡皮垫间隙调整到位，选择高度、尺寸合适的橡皮垫或垫条，确保切割质量及效率。

4 结语

针对某方管制造企业在对7.75 mm×1 055 mm规格Q355B 低合金热轧钢带进行分剪弯折制造方管过程中，焊接后出现的斜向裂纹实际问题，经宏观观察，并在问题方管上合理取样，进行了成分、硬度、金相组织及力学性能等试验观察与表征，认为母材钢带在化学成分、夹杂物含量、金相组织、晶粒度及力学性能等指标均符合标准要求。

综合分析，认为该缺陷主要因为钢带纵剪时因剪刃钝化导致切边撕裂形成的剪切裂口。实际生产中选择合适纵剪刀具，定期维护保养，保证剪刃锋利度，避免刀具锈蚀、磨损等应力集中缺陷对钢带边部剪切质量的影响；同时优化剪切工艺，根据钢带厚度规格及牌号性能，选择合理剪刀，调整好剪刃间隙；根据钢带厚度及力学性能，合理布局剪切垫板，调节至合理高度，优化剪切工艺，可有效避免该类焊后裂纹问题。