分享：热轧钢板高频直缝电阻焊接制管开裂原因

海 超,郭晓静

(本钢板材股份有限公司 技术研究院,本溪 117021) 

摘 要:某公司使用热轧钢板生产高频直缝电阻焊管,焊管端部在切削后发生开裂。采用宏观 观察、化学成分分析、金相检验及断口分析等方法,分析了焊管开裂的原因。结果表明:在焊接过程 中,焊接电流过大引起输入功率过高,造成焊缝温度过高,在焊缝处形成粗大的魏氏组织和大量孔 洞,从而导致焊管发生开裂。

关键词:热轧钢板;焊管;开裂;魏氏组织;孔洞 

中图分类号:TG115 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)03-0049-04

高频直缝焊接钢管具有热影响区小、尺寸精度高、 壁厚均匀等优点,被广泛用于石油化工、电力、农业灌 溉、城市建设等领域。高频直缝焊接钢管采用带钢卷 板为原材料,经过切割、预弯、连续成型后,在高频电流 的集肤效应和邻近效应作用下,使得管坯边缘熔化,在 挤压辊的作用下进行压力焊接,制成钢管产品。高频 直缝焊接钢管的质量主要取决于焊缝的质量[1-4]。

某公司使用本钢生产 的 1.5 mm 厚 热 轧 钢 板 (SPHC)生 产 高 频 直 缝 电 阻 焊 管 (简 称 SPHC 焊 管),管材焊接工艺流程为加热→熔化→冶金反应并 施加压力→凝固→固态相变→形成焊缝→成管,在 对SPHC焊管端部进行切削后发生开裂。为了分 析了该SPHC焊管开裂的原因,笔者对其进行了一 系列检验与分析。

1 理化检验

1.1 宏观观察

如图1所示,SPHC 焊管开裂起始位置在焊管 端部,端部经机械加工成梯形,表面光滑,裂纹沿焊 管焊缝中间位置进行扩展,扩展路径较平直。

1.2 化学成分分析 

对开裂SPHC焊管进行化学成分分析,结果见表1。可知该开裂焊管的化学成分符合本钢的内控标准。 

1.3 断口分析 

沿SPHC焊管开裂位置断开后,在起裂位置及 距起裂位置30mm 处分别截取横向试样,经超声波 清洗后,置于 SUPRA55型扫描电镜下观察断口的 微观形貌。 

如图2所示,SPHC 焊管起裂位置的断口主要 呈准解理和解理断裂形貌,可见剪切面、撕裂棱、解 理台阶[5-6],断口表面有较多黑色孔洞,呈密集斑块 状,近似于蜂巢状,孔壁较光滑。几个黑色孔洞的对 称轴线方向不一致,在起裂位置处黑色孔洞的对称 轴线方向主要垂直于裂纹扩展方向,该处孔洞分布 较为集中。采用能谱仪对黑色孔洞表面进行分析, 结果见图3,可知其成分主要为铁元素。 

对断口附近焊缝及母材进行打磨、抛光后,使用 游标卡尺测量出黑色孔洞的深度在0.2~1.8mm。

1.4 金相检验

1.4.1 非金属夹杂物检验 

采用Imager.D1m 型金相显微镜对SPHC焊管 母材和 焊 缝 处 的 非 金 属 夹 杂 物 进 行 观 察。 根 据 GB/T10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》标准,对 SPHC 焊管母材 和焊缝进行非金属夹杂物评级。由图 4 和表 2 可 见,SPHC焊管母材和焊缝处的非金属夹杂物较少, 非金属夹杂物级别都符合标准要求。

1.4.2 显微组织观察 

如图5所示:对于 SPHC 焊管起裂位置处,焊 缝的组织主要为贝氏体+铁素体+魏氏组织,热影 响区组织主要为铁素体+少量珠光体,母材组织为 铁素体;对于距起裂位置30mm 处裂纹附近区域, 焊缝组织为贝氏体+铁素体,热影响区组织为铁素 体+少量珠光体;与距起裂位置30mm 处裂纹附近 区域相比起裂位置处焊缝的晶粒尺寸粗大,母材晶 粒较细小。 

2 分析与讨论

高频直缝电阻焊管是采用10~500kHz高频 电流进行焊接制成的。首先,将整块钢带沿轧制方 向截取一定宽度的窄钢带,将窄钢带置于制管机上, 在挤压辊作用下变形成两端向内弯曲的管坯,并使 两个端面呈 V 形,即焊接区,V 形的顶点是汇合点。 然后,将焊接电流从电极直接输入,在集肤效应和邻 近效应的共同作用下,电流主要集中于 V 形端面焊 接区表层,其附近汇合点处的电流密度最大,即达到 焊接钢管所需要的电流密度,在挤压辊作用下,管坯 两端熔融并焊接在一起。为了使焊接部位母材与焊 材完全熔合到一起,达到全焊透,需要通过调整电流 密度来控制焊接温度。

焊透率随着焊接电流密度的 增加而升高,但电流密度过大时,可能会使焊缝烧 穿,进而造成钢管焊接部位的强度和焊接质量下降。 SPHC焊管起裂位置处断口呈准解理断裂特征,晶 粒较粗大,且存在魏氏组织,说明在焊接过程中,钢 坯焊缝温度偏高使晶粒长大[7],粗大的魏氏组织使 焊管的韧性下降。 焊接电流过大引起的输入功率过高是影响焊缝 质量的主要因素。在焊接过程中,输入功率较小时, 管坯坡口面加热温度较低,达不到所需的焊接温度, 则会产生未焊透现象。输入功率过大时,管坯坡口 面加热温度过高会引起过热或过烧,甚至使焊缝烧 穿,造成熔化金属形成针孔等缺陷[8]。通过断口分 析可知,SPHC焊管断口上有许多黑色孔洞,孔洞的 中心轴线方向分布无规律,尺寸最深的孔洞位于起 裂位置处,其深度达到1.8mm。综上分析可知,在 焊接过程中,SPHC 焊管开裂部位的温度高于正常 焊接温度,导致焊缝处出现大量孔洞,在切削加工后 焊管发生开裂。

3 结论

在焊接过程中,焊接电流过大引起输入功率过 高,造成焊缝温度过高,使 SPHC 焊管开裂位置处 形成了粗大的魏氏组织和大量孔洞,从而导致焊管 发生开裂。 

参考文献: [1] 张君彩,刘毅.焊接温度对焊管焊缝质量的影响[J]. 焊接,2007(1):60. [2] 邓有林,邵丽慧.20钢管焊缝开裂分析[J].理化检验 (物理分册),2004,40(11):578-580. [3] 于恩林,韩毅,范 玉 林,等.HFW 管 高 频 感 应 加 热 过 程电磁热耦合数值模拟[J].焊接学报,2010,31(4): 5-8,113. [4] 孟根巴根,艾兵权,王秋雨,等.S380高频焊管焊缝开 裂分析[J].焊接,2019(8):57-60,68. [5] 上海交通大学《金属断口分析》编写组.金属断口分析 [M].北京:国防工业出版社,1979. [6] 姜锡山,赵晗.钢铁显微断口速查手册[M].北京:机 械工业出版社,2010. [7] 张波.烟囱焊接开裂分析[J].理化检验(物理分册), 2006,42(11):586-587. [8] 黄石生.焊接 科 学 基 础:焊 接 方 法 与 过 程 控 制 基 础 [M].北京:机械工业出版社,2014.

< 文章来源>材料与测试网 >