Q235B-Z 焊管焊縫處壓扁開裂原因分析與控制措施

果 超，張 丹，趙 瓊

（山西建龍實業有限公司技術中心，山西 運城 043800）

0 引言

高頻直縫電阻焊接（High Frequency Electric Resistance Welding）管（全文簡稱“HFW 焊管”）是利用電流的集膚效應和鄰近效應將分條帶鋼成型對接后的兩對邊迅速加熱到焊接溫度，進行擠壓、焊合而成，如圖1 所示。近年來，隨著ERW 焊接技術的發展及焊管高的性價比，HFW 焊管在一般輸送用流體管、石油管、汽車管等領域的應用漸廣，且普遍以Q235 碳素結構鋼熱卷作為原料[1]。HFW 焊管的性能在很大程度上取決于焊縫的質量，因此保證焊縫質量成為該工藝的最關鍵點。某鋼廠因HFW 焊管焊縫開裂問題，共計損失約50 余萬元，其開裂形貌如圖2 所示，裂口位于焊縫一側，呈層狀，母材彎曲側完好。本文針對下游用戶在生產HFW 焊管時出現的壓扁開裂問題，結合金相、低倍等檢測結果對應于生產工藝，制定了一系列改善措施，徹底避免了此類缺陷。

圖1 直縫感應焊原理

圖2 典型延焊縫壓扁開裂缺陷品

1 檢驗分析

通過現場調查發現，壓扁開裂的焊管焊縫處大多存在重皮及微裂紋等缺陷，將原料分條后，剪切處存在分層現象，宏觀形貌如圖3 所示。

圖3 母材分條處明顯可見分層缺陷

1.1 金相分析

經金相檢測，焊管焊縫處金相分析結果如表1 所示，部分金相組織形貌如圖4—圖9 所示。

表1 焊管焊縫處金相檢測結果

圖4 母材分層低倍酸洗延伸線可見偏析帶

圖5 數條A 類夾雜

圖6 硫化帶

圖7 裂紋延伸處硫化物

圖8 開裂拼接局部放大帶狀組織

圖9 異常組織

通過金相分析初步確認，分層及壓扁開裂與鋼中硫化物夾雜及帶狀呈主相關，鋼的異常粒B 組織增加了鋼的脆性，為次要因素。在這兩因素及焊接熱應力、彎曲應力影響下鋼材沿聚集的硫化帶延伸開裂。

1.2 缺陷機理分析

結合檢驗、焊接及凝固等原理，分析壓扁開裂機理大致如下：HFW 焊接焊縫處熱影響區典型微觀形貌如圖10 所示。熱影響區形貌為腰鼓形狀，這是因為感應電流優先從帶鋼邊緣的邊部和端部進入帶鋼產生熱量，鋼中的碳向高溫邊緣區域擴散，當焊縫冷卻時，碳被吸收在該區域，造成熱影響區顏色略深于母材[2]。焊接時焊縫熱影響區溫度一般控制在1 250～1 460℃[3]，而鋼中硫以FeS 形式存在，熔點為1 193 ℃，Fe 與FeS 共晶體的熔點只有985 ℃。液態Fe 與FeS可以無限互溶，但FeS 于固態鐵的溶解度很小，僅為0.015%～0.020%。當鋼中的硫含量較高時，在冷卻凝固過程中產生偏析，Fe-FeS 以低熔點的共晶體呈網狀分布于晶界處。因此，高頻焊接溫度下熱影響區內硫化物等低熔點夾雜會重新熔融和聚合，且由于溫度梯度及偏析的存在，造成低熔點夾雜延流線的不均衡分布，且越靠近原母材偏析帶和高溫區，夾雜物分布越多。

圖10 熱影響區形貌

此外，鋼中還有一些如Al2O3等高熔點脆性夾雜，低熔共晶物質或脆硬相在焊接加熱和擠壓時受到剪切力的作用，沿熱量密流曲線上升形成鉤狀流線，冷卻時凝固成片層狀而斷續分布在晶界處，嚴重時成為裂紋源，如圖11 所示[3]。通過回溯生產過程工藝探討造成此類缺陷產生的主要原因。

圖11 低熔點夾雜重熔后鉤狀流線（50×）

2 煉鋼工藝追溯與分析

2.1 工藝流程

某鋼廠Q235B-Z 工藝流程：高爐鐵水一罐到底→轉爐→吹氬站→板坯連鑄。

板坯產線工裝匹配：高爐w（S）≤0.030%的比例累計75.70%，無混鐵爐及魚雷罐；單KR 預處理站利用率極低，脫硫鐵不足3%，鐵水摻兌或直兌；2 座120 t轉爐，冶煉周期30～35 min，采用兩爐三機生產模式；3臺板坯均為單機單流1 030～1 365 mm 斷面鑄機，連鑄周期30～50 min；采用鋁脫氧后吹氬直上的高效低成本生產方式。

2.2 鋼中成分控制

產生質量異議的Q235B-Z 成分控制如表2 所示。

工藝追溯爐次統計：平均w（P+S）為0.044%，w（P+S）超0.044%的爐次占比高達61.11%；m（Mn）/m（S）均值16.46，m（Mn）/m（S）≥20 的爐次占比35.71%；平均w（S）為0.022%，w（S）超0.020%的爐次占比71.46%。

2.3 連鑄控制及設備

兩爐三機生產模式下，轉爐供鋼不均衡導致連鑄恒速率不足60%。直上鋼中氧化鋁夾雜水平較高，易導致連鑄絮流。連鑄各澆次從第7—10 爐起，因受氧化鋁聚集墊棒影響，塞棒處于40～60 mm 高棒位操作且不可逆轉，浸入式水口壽命平均不足2.8 h。中包上水口絮狀物脫落和壓把到底無行程、浸入式水口堵塞偏流等非穩態現象常見。

3 臺板坯鑄機中1、2 號機為8 m 直弧鑄機，二冷12 個段冶金長度19.8 m、鑄機長度30 m，無電攪及輕壓下等功能，扇形段開口度按±30 mm 調測，合格率不足85%。4 號機為2019 年新建高效鑄機，以生產低碳鋼為主，兩爐三機時Q235B-Z 基本在1、2 號機生產，拉速1.2～1.3 m/min。為確保直上鋁鋼的澆注，中包過熱度按25～40 ℃中上線控制。

2.4 板坯低倍

板坯Q235B-Z 低倍評級標準：單項不超2.5 級、綜合裂紋不超4.5 級計為合格。1、2 號機板坯Q235B-Z 低倍評級合格率僅為37.50%。質量異議對應澆次低倍抽檢情況如圖12、表3 及表4 所示。

表3 質量異議對應澆次生產參數

表4 低倍評級結果 單位：級

圖12 質量異議澆次板坯低倍形貌及評級情況

2.5 工藝追溯分析

受兩爐三機不均衡生產、較落后的鑄機裝備、無配套的控硫措施、低成本直上工藝鋼質差等因素影響，生產的Q235B-Z 硫含量不穩定，連鑄長期非穩態澆注，氧化鋁夾雜偏高流動性差，鑄坯凝固過程鋼水補縮能力不足，柱狀晶前沿各夾雜易析出為裂紋源，實物板坯低倍偏析和裂紋嚴重。這些缺陷熱軋后難以焊合為偏析帶，最終影響了HFW 焊管的焊縫質量。

3 控制措施

為改善Q235B-Z 板坯內質，某鋼廠立足于自身現有條件，進行了針對性工藝優化改善，效果明顯。

1）系統控硫降硫：從全面啟用KR 脫硫和出鋼至氬站強化頂渣改質渣洗脫硫兩方面入手，優化生產后，KR 脫硫鐵滿足了低硫鐵需求，爐后小精煉脫硫率達到50%～70%。實現了Q235B-Z 鋼種100%脫硫處理，將成品w（S）控制到0.015%以下，30%的爐次w（C）控制在0.010%以下。

2）頂渣改質+鈣處理：為解決連鑄絮流問題，提高鋼水純凈度及流動性，在渣洗脫硫基礎上，實施了氬站鈣處理工藝。改質處理后，連鑄結晶器液面±4 mm 合格率提高到95%以上，上水口棒位基本穩定在10～20 mm，浸入式水口再無堵塞偏流現象。

3）恒速率提升及生產路徑調整：由1、2 號鑄機生產，結合生產部門調配兩分廠鐵水量及產品結構，確保板坯產線兩爐兩機均衡生產時恒速率達到90%以上。采用兩爐三機生產時，在配有自動輕壓下等先進功能的4 號板坯鑄機上生產。

4）1、2 號鑄機的維護及改造：針對二冷0—2 段配水量偏低且不均勻和出結晶器0—1 段支撐輥間距30 cm 偏大問題，優化了二冷配水及扇形段輥列，解決了成品w（C）進入0.15%附近包晶區經常出現鼓肚共振后結晶器液面不穩的問題。生產該用戶鋼種時，開機前水平段按開口度目標負差控制，實現了相近似靜態輕壓下操作。

5）實物檢測把關：針對該用戶用途，建立了組批抽檢熱卷尾部剪切質量和其低倍酸蝕檢測制度、折彎檢測機制，減少問題品的出廠。

4 控制效果

相關措施有效落地后，從2022 年5 月至今，再未發生過HFW 焊管批量壓扁開裂質量問題，將HFW焊管用途質量訴賠率控制到了“零”。