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355 MPa低合金钢板焊接裂纹的成因分析.pdf
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1、第45卷第5期2023年10 月试验研究355MPa低合金钢板焊接裂纹的成因分析王治中,孙乾,程欣丽”,员强鹏,孟倩,陈萌1(1南京钢铁股份有限公司,江苏南京2 10 0 3 5;2 山东钢铁股份有限公司莱芜分公司,山东济南2 7 110 4;3莱钢集团蓝天商旅车业有限公司,山东济南7 110 4)摘要:针对2 0 mm厚度3 55MPa低合金钢板焊接时出现的焊接裂纹问题,采用成分分析、金相组织检验、夹杂物分析、扫描电镜观察等手段进行检验分析。结果表明,钢板以铁素体+珠光体组织为主,含少量贝氏体,组织细小均匀,晶粒度约9.5级,力学性能满足标准;起裂位置为焊缝热影响区,焊缝宽度约8 mm,裂纹
2、较深且尾部延展,焊缝热影响区以粗大的魏氏组织为主,缝处内存在链状非金属夹杂物。焊接时功率过大,焊缝处金属熔融速度较快,熔池夹杂清理不净而凝固在焊缝,割裂钢板组织连续性,结合焊接热影响区魏氏组织韧塑性差,焊接后下道次校正拉应力作用下,诱发局部开裂,是产生裂纹主原。通过优化焊接功率,缩短母材焊边在高温区的停留时间,控制冷却,减少异常组织,可有效避免该类问题。关键词:3 55MPa低合金钢;焊接裂纹;夹杂物;金相组织;魏氏组织中图分类号:TG142.1山东冶金Shandong Metallurgy文献标识码:AVol.45 No.5October2023文章编号:10 0 4-46 2 0(2 0
3、2 3)0 5-0 0 3 6-0 41 前言钢结构工程在现代工业及建筑行业中得到广泛应用。焊接工艺是钢结构连接的主要形式,焊接质量直接决定了钢结构性能稳定性及安全性 1-2 。低合金钢因其具有较好的力学性能,同时具备易成型、易焊接等工艺特性,被广泛应用于桥梁建设、塔架搭建、输送管道等各类钢结构领域 3 。本文针对20mm薄规格3 55MPa低合金钢板进行钢结构焊接过程中出现的焊接裂纹问题,采用光谱分析仪、金相显微镜、扫描电镜、布氏硬度计等检验工具,对试样焊接问题处的化学成分、金相组织、布氏硬度、力学性能等进行多角度检验观察,分析焊后裂纹缺陷的生产原因,为生产提供技术参考。标准/试样位置GB/
4、T 1591200830.24 0.55母材试样0.1580.3521.360.014焊缝处试样0.1610.3681.37为明确母材性能与裂纹产生的关联性,,在裂纹钢板母材钢板靠近头部、尾部、中间部位取横向拉伸样及纵向冲击试样各3 块,按照GB/T228.1一2021金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法及GB/T2292020金属材料夏比摆锤冲击试验方法,应用UTM-2460100kN龙门型双空间万能拉伸试验机与JB一W300B/JB一50 0 B微机控制摆锤式冲击试验机对其进行力学性能检验,结果统计见表收稿日期:2 0 2 3-0 7-0 1作者简介:王治中,男,19 7 7 年生,现为
5、南京钢铁股份有限公司板材事业部生产处宽板线丙班调度主任、助理工程师,从事宽厚板生产调度和计划工作。362生产工艺流程与质量要求检验材料为2 0 mm薄规格3 55MPa低合金钢板,属于低碳、高锰成分体系的低合金钢,执行CB/T15912008低合金高强度结构钢标准要求。其生产工艺流程为:铁水预处理一顶底复吹转炉冶炼一LF精炼一RH精炼板坏连铸一二次加热除鳞粗轧精轧一控冷一热矫直(钢板标识)冷床(缓冷)一剪切(火切)探伤-调质标识一堆垛入库。采用德国斯派克SPECTROLAB直读光谱仪对钢板母材及焊缝处进行化学成分检验,结果如表1所示。从表1可知,母材、焊缝的化学成分均满足标准要求。表1化学成分
6、(质量分数)%CSi1.600.0350.0350.0110.0130.0092,由表2 可得,母材力学性能均符合GB/T1591一2008标准的要求。3检验分析为明确钢板焊接裂纹产生原因,对其进行布氏硬度检验、夹杂物分析与金相观察,进行综合分析。3.1布氏硬度检验钢板焊接为金属熔融再结晶的过程,为检验钢板母材及焊缝处性能差异,在母材、焊缝及焊缝附近(热影响区)各取45mm90mm试样一块,经修磨清理,按照GB/T231.12018金属材料布氏硬度试验第1部分:试验方法,使用HVB-3000Z自MnPSNb TiCrNi0.30 0.30适量,符合标准要求王治中,等标准/试样号屈服强度/MPa
7、抗拉强度/MPaGB/T1591-2008355试样1443试样2439动转塔直读数显布氏硬度计进行布氏硬度检验,为避免数据波动,保证实验准确度,依次检测12 数据点,结果见于图1(HBW)。由图1可知,因焊接热应力较大,焊缝处硬度值最高,且波动范围较大,硬度范围2 0 4 2 2 7 HBW,焊缝周边焊接冷速时速度仍然较快,属于焊接热影响区,硬度值也明显高于母材,但低于焊缝,硬度在18 2 2 0 2 HBW;母材位置组织相对均匀,基本未收到焊接热影响,硬度即为材料钢板本身材料硬度,因此硬度最小,但硬度值最小且波动范围小,集中在155 16 3 HBW。综上所述,钢板母材组织形态及分布相对均
8、匀,内应力波动小,焊缝及热影响区各处受冷却速度影响,不同位置组织应力各异,组织及晶粒度差异较大,诱发硬度值较高且波动大,实际母材及焊缝(热影响区)分析,仍需结合夹杂物及金相组织观察。240F220200180160140024681012试验位置图1硬度分布3.2夹杂物分析钢板内脆性夹杂物含量、尺寸、分布对母材性能影响极大,为检验钢板夹杂物含量及分布情况,在钢板母材及焊缝裂纹处各取规格为15mm25mm金相样,经18 8 0 m砂纸打磨横截面(垂直于钢板轧制方向),再用2.5m金刚石抛光剂对其抛光表面,清洗烘干后,采用AxioVertA1倒置式金相显微镜对试样进行夹杂物扫描观察,结果如图2 所
9、示。图2 中,左图为钢板母材,经对试样自上而下通体进行扫描观察,仅在母材样发现一条长约55m的处C类硅酸盐夹杂物,结合生产工艺,该钢经LF精炼,夹杂物含量较低,总量可控制在1.5级以下,由此可见,母材纯净度较高;右图为钢板裂纹焊缝样,距离焊缝起裂处0.6 mm处发现宽度约50 75m的簇状夹杂物聚集带,严重割裂基体连续性,焊缝处组织应力极大,硬度值高且波动大,塑韧性本就远低于母材,4长条状存在,更加大了脆性断裂风险,极可能诱发焊接裂纹。3.3金相组织观察使用4%硝酸酒精溶液对母材及焊缝两试样355MPa低合金钢板焊接裂纹的成因分析表2 力学性能断后伸长率(横向)/%470-6302253128
10、.553327.5进行晶界腐蚀,进行金相组织观察,并依据GB/T6394一2 0 17 金属平均晶粒度测定方法标准,分别进行晶粒度评定,检验结果如表3,金相组织见图3、图4。表3 组织与晶粒度试样金相组织母材样P+F+B(极少量)裂纹样(焊缝热影响区)魏氏组织+F(粗大针状)焊缝处焊缝热影响区母材2023年第5期620夏比V型缺口纵向冲击功/34平均值11112710912620 m母材图2 夹杂物分布50 m图3 母材金相组织20m图4焊缝热影响区金相组织由表3 可得,钢板母材与焊缝组织及晶粒度差异巨大,母材以珠光体、铁素体为主,含少量贝氏体,晶粒度9.5级,结合图3,珠光体分布均匀,呈典型
11、片层状,无异常组织,满足标准要求;焊缝以魏氏组织、粗大针状铁素体为主,晶粒较粗,晶粒度仅为6.0级,结合图4,魏氏组织集中在焊缝条带及热影响区上,魏氏组织的产生主要是因为焊接时短时间内大量热输入,导致奥氏体晶粒异常粗大,同时冷却速度较快,形成了该类过热组织,魏氏组织特征为某些异常粗大的奥氏体晶粒内快速析出多道条针状铁素体,存在铁素体针片之间的残余奥氏体,经冷却最后转变为珠光体,该组织性能极不稳定,组织片层末端尖细,极易形成应力集中点,破坏母37119127119120焊缝处晶粒度级别9.5级6.0级20 m20 m20 m2023年10 月材连续性,降低基体延展性 4,并且由于晶粒粗、尺寸大,
12、伴随生出的先共析铁素体性能极不稳定,是组织性能的脆弱面,诱发金属的柔韧性急速下降,导致焊接接头脆性转变,外作负载时发生脆性断裂。3.4扫描电镜及EDS能谱分析采用日立SU5000场发射扫描电镜深入观察焊缝形貌及夹杂物条带情况,并通过EDS能谱模块,对其异常组织进行成分分析,进一步对焊缝裂纹原因进行综合分析。SEM观察下的簇状夹杂物微观形貌如图5所示,EDS能谱如图6 所示。100 m图5焊缝热影响区处SEM观察下的簇状夹杂物60谱图1Ao/d4020网00由图5、图6 可知,簇状夹杂物单个呈现长条状、椭球状或者短棒状,长度约2 2 0 m不等,形貌与金相显微镜下基本一致;随机对某夹杂物及旁边基
13、体打EDS能谱点,发现夹杂物元素包括O、C、Ca、Fe、A l、Si、M n 等,以Si、M n 氧化物为主,源自焊接时金属熔池中夹杂物未能有效快速排出,导致聚集成带,严重割裂基体连续性,形成大尺寸裂纹源。裂纹样(焊缝热影响区)微观形貌如图7 所示,EDS能谱如图8 所示。由图7 可知,焊缝及其热影响区组织稀松不致密,小尺寸散点状、链条带状、孔洞状夹杂极多,微观形貌上类似连铸坏心部缩孔;晶粒异常粗大,以魏氏组织和大尺寸针状铁素体为主,与金相组织结果一致。魏氏组织是一种形态特殊的先共析相异常组织,焊接过程中,当高温熔融金属在高温停留时间区域越长,焊机传递给焊接接头(焊缝)的热输人越大,原始奥氏体
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