劉振偉，田 鵬，王志太，孫 宏，王 慧，王 洋

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062650）

0 前 言

焊接熱裂紋是焊接生產中比較常見的一種裂紋缺欠，它是在焊接過程中焊縫和熱影響區(qū)金屬冷卻到固相線附近的高溫區(qū)時產生的，從一般常用的低碳鋼、低合金鋼到奧氏體不銹鋼、鋁合金、鎳基合金鋼等都有產生熱裂紋的可能。焊接熱裂紋主要分為結晶裂紋、液化裂紋和多邊形裂紋3種類型。在固相線附近，由于金屬收縮產生拉應力，殘余液體金屬不足，不能及時填充焊縫收縮部位，在拉應力的作用下將晶界上的低熔點共晶液膜拉開，導致產生沿晶開裂，這種裂紋產生在晶界。筆者主要以螺旋埋弧焊管焊接過程中產生的結晶裂紋為例，針對結晶裂紋形成機理，闡述產生結晶裂紋的原因，進而指導實際生產。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗以X80螺旋埋弧焊管為試驗材料，母材化學成分見表1。

表1 管體母材化學成分%

1.2 試驗方法

從X80螺旋埋弧焊管上截取焊縫金相試樣，經銑床、磨床磨平后，分別用砂紙和拋光機拋光，然后將金相試樣在3%硝酸酒精溶液中腐蝕3～5 s，侵蝕后的焊縫形貌如圖1所示。

圖1 酸蝕后的焊縫形貌

2 試驗結果與分析

2.1 宏觀形貌

為了獲得缺陷立體形貌特征，在距內焊縫中心線3.5 mm，3 mm，1.5 mm，0 mm和-0.6 mm處分別切取試樣進行逐層剝離試驗，實際磨拋位置如圖2所示。

圖2 距離內焊縫中心線不同距離試樣宏觀形貌

從圖2可以看出，距離內焊縫中心線3.5 mm處，由于切取過于遠離內焊中心線，照片中出現(xiàn)了熱影響區(qū)（黑線即為焊接熱影響區(qū)），裂紋表現(xiàn)為橫向擴展，且均處于靠近外焊的內焊底部區(qū)域內（如圖紅色方框所示）。裂紋較為細小，只有在金相顯微鏡下才能觀察到裂紋的存在。

2.2 金相觀察

圖3 距內焊縫中心不同距離處裂紋形貌特征

圖3所示為拋光試樣的金相照片。從圖3可以看出，在距離焊縫中心線3.5 mm處裂紋表現(xiàn)出冷裂紋特征，此處為熱裂紋擴展裂紋。由距離3.5 mm到內焊中心線處，裂紋表現(xiàn)出逐漸變寬的趨勢。越靠近焊縫中心，裂紋寬度越寬，說明裂紋源在靠近焊縫中心線處形成并向中心線兩側擴展，冷卻后的焊縫在外應力的作用下會繼續(xù)擴展，最終發(fā)展為冷裂紋。在距離內焊中心線左側0.6 mm處縱切樣裂紋的中間部位相對較寬，且內部附帶有金屬填充物（如圖紅色線條標記區(qū)域所示），能譜分析表明，此物質不是夾雜，而是焊縫金屬成分，裂紋最寬處集中出現(xiàn)在焊縫中心附近。

2.3 結晶裂紋原理分析與討論

2.3.1 結晶裂紋形成機理

焊縫結晶過程中，在固相線附近，由于凝固金屬的收縮，殘余液體金屬不足以及時填充，在應力作用下發(fā)生沿晶開裂，稱為結晶裂紋。結晶裂紋又稱凝固裂紋，是在焊縫凝固過程的后期所形成的裂紋。這些結晶裂紋的共同特點：所有結晶裂紋都是沿一次結晶的晶界分布，特別是沿柱狀晶的晶界分布。焊縫中心線兩側的弧形裂紋是在平行生長的柱狀晶晶界上形成的。在焊縫中心線上的縱向裂紋恰好是處在從焊縫兩側生成的柱狀晶的匯合面上。多數(shù)結晶裂紋的斷口上可以看到氧化的色彩，說明了它是在高溫下產生的。在掃描電鏡下觀察結晶裂紋的斷口具有典型的沿晶開裂特征，斷口晶粒表面圓滑。

結晶裂紋都產生于樹枝狀晶粒的交界處，這說明在焊縫結晶過程中晶界是個薄弱地帶。焊接結晶時先結晶部分較純，后結晶的部分含雜質和合金化元素較多且富集在晶界，這種結晶偏析造成了化學成分不均勻。隨著柱狀晶長大，雜質合金化元素就不斷被排斥到平行生長的柱狀晶交界處或焊縫中心線處，它們與金屬形成低熔相或共晶。在結晶后期，這些殘存在晶界處的低熔相尚未凝固，并被排擠在晶界形成一種所謂 “液態(tài)薄膜”，散布在晶粒表面，割斷了一些晶粒之間的聯(lián)系。在冷卻收縮所引起的拉伸應力作用下，這些遠比晶粒脆弱的 “液態(tài)薄膜”承受不了這種拉伸應力，就在晶粒邊界處分離形成了結晶裂紋。

因此，“液態(tài)薄膜”是產生結晶裂紋的根本原因，而拉伸應力是產生結晶裂紋的必要條件。

2.3.2 裂紋形成的冶金因素

（1）S和P在各類鋼中幾乎都會增加結晶裂紋的傾向；S和P極易引起結晶偏析，還能形成多種低熔化合物或共晶，在結晶期極易形成 “液態(tài)薄膜”，對各種裂紋都敏感。

（2）C也是影響結晶裂紋的主要元素，并能加劇其他元素的有害作用； C含量增加，初生相可由δ相轉為γ相，而S和P在γ相中溶解度比在δ相中低很多，會在晶界析出，使結晶裂紋傾向增大。

（3）Mn具有脫S作用，能降低熱裂傾向，隨著鋼中含C量的增加，w(Mn）/w(S）比值也應隨之增加。

（4）Si是δ相形成元素，少量Si有利于提高抗裂性能。但w(Si)＞0.4%時，會因形成硅酸鹽夾雜而降低焊縫金屬的抗裂性能。

（5）Ni是促進熱裂紋敏感性增高的元素，因Ni是強烈穩(wěn)定γ相的元素，可降低S的溶解度。如果形成NiS或NiS-Ni，其熔點很低有利于形成熱裂紋。含Ni的鋼對S的允許含量要求比普通碳鋼更低。

（6）最近研究發(fā)現(xiàn)，Ti，Zr，La和Ce等稀土元素能形成高熔點的硫化物。例如，TiS熔點約2 000～2 100℃，CeS熔點約2 400℃，它們的效果比Mn好(MnS熔點1 610℃)，故有消除結晶裂紋的良好作用。

2.3.3 裂紋形成的成型工藝因素

（1）目前，國內螺旋埋弧焊管機組大多采用上卷式成型，先內焊后外焊，內焊點未出成型變形區(qū)，因為1#，2#和3#輥是變形輥，即使是下坡焊，內焊點也出不了3#輥，內焊后，尤其是遞送邊還要繼續(xù)變形，容易產生內焊裂紋。

（2）由于內焊在咬合點施焊，2#和3#輥都要為內焊留有空間，成型輥控制不到遞送邊的邊緣，遞送邊的變形不足，成型縫兩邊曲率不一致，易產生內焊裂紋。

（3）螺旋成型對月牙彎比較敏感，因為月牙彎會改變實際成型角，需要用擺動后橋來彌補，而擺動后橋實際就是有意制造咬合點處成型縫兩邊的錯位現(xiàn)象，由此因素導致對頭前后裂紋產生的幾率較高。

（4）測圓調型不準確，成型參數(shù)不協(xié)調，成型器內外鋼管中心線不一致，導致咬合點處成型縫兩邊產生錯位，即一邊超前、另一邊滯后，稱為 “超越”現(xiàn)象。在下卷成型方式可以看見此種現(xiàn)象，雖然上卷成型在咬合點附近焊接，看不見此種現(xiàn)象，但其影響依然存在。如果內焊縫承受剪切應力達到一定程度后將產生應力熱裂紋。

（5）對縫翹曲回復造成的拉應力也是產生裂紋的原因之一。如圖4所示，由于焊墊輥太高，會使合縫區(qū)對縫向上翹曲。隨著帶鋼送進，在內焊縫凝固過程中對縫翹曲會自然回復，回復變形會在內焊縫根部產生很大的拉伸應力和應變。由于對縫存在待凝固的未焊合部分，因而內焊縫根部與對縫未焊合部分的交界處就成為應力和應變最集中的部位。這是裂紋從內焊縫根部起裂并擴展的根本原因。本研究中橫向熱裂紋的產生和擴展很可能跟該因素有很大關系，另外，卷板對頭前后的嚴重翹曲也將成為結晶裂紋的又一主要因素。

圖4 對縫翹曲回復示意圖

2.4 討論

為了得到缺陷的整體形貌，首先采用超聲波兩次探傷，定位出缺陷的位置及走向，超聲波得出結論為橫向裂紋，于是設計一套試驗方案，即沿著焊縫走向做缺陷處焊縫反彎試驗，反彎后的試樣斷裂位置與設想的一致，斷口從橫向缺陷處斷開，肉眼能明顯看到帶有氧化色彩的亮區(qū)，斷口處整體形貌如圖5所示。

從圖5反彎斷口缺陷形貌上看，肉眼能觀察到氧化色彩。其中亮區(qū)斷口表面均較為光滑。從柱狀晶斷口形貌上看，柱狀晶內部未有S的偏析出現(xiàn)，柱狀晶表面出現(xiàn)S的波峰，說明S在柱狀晶晶界處偏聚，能譜未打出P和Ni在此處的偏析，但是并不能說明此處無P和Ni偏析，因為能譜打出的范圍只在離試樣表面深度10 μm以內所有物質成分，柱狀晶周圍即使有成分偏析也只是一層薄膜狀的偏析共晶產物，厚度甚至不足1μm，柱狀晶內部為鐵晶格，所以能譜上反映的大部分都是柱狀晶內部的成分。但可以肯定的是此時的S含量已經達到嚴重偏析的程度。在斷口上未發(fā)現(xiàn)大顆粒夾雜存在。

圖5 反彎斷面掃描照片

圖6為距離內焊縫左側0.6 mm處縱切拋光試樣掃描照片。從圖6拋光試樣掃描照片上不難發(fā)現(xiàn)，裂紋深度在未侵蝕的情況下局部有較深空洞出現(xiàn)，說明此處不是由于磨削和拋光所致，最寬區(qū)域達到50 μm，外焊時，重熔了一部分內焊焊縫金屬，未被外焊金屬填充的部位遺留下了空洞。

圖6 縱切拋光試樣掃描照片

3 結論及建議

缺陷中心部位為結晶裂紋，結晶裂紋兩側為擴展的冷裂紋?！耙簯B(tài)薄膜”是產生結晶裂紋的根本原因，原料中相對較高的P含量和焊絲、焊劑中相對含量較高的C，S和P為柱狀晶晶界處S和P的偏析提供了可能；拉伸應力是產生結晶裂紋的必要條件，拉伸應力很可能跟焊墊輥太高、卷板對頭前后翹曲造成的對縫翹曲回復有關。

因此，在進行X80螺旋埋弧焊管內焊時提出以下建議：調整焊墊輥至合適位置，高度不宜過高；切除卷板嚴重翹曲區(qū)域；減小內焊熔池金屬與鄰近母材區(qū)域的應力集中；采用合理的焊絲、焊劑匹配，減少焊絲、焊劑中的C，S和P含量，降低產生結晶裂紋的可能性。

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