低合金鋼制方管焊后斜向裂紋的原因分析與改進措施

王 哲，孫 乾，侯光達，鄭 力，李 承，楊 輝

（1 萊蕪鋼鐵集團有限公司黨校/培訓中心，山東 濟南 271104；2 山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司，山東 濟南 271104）

1 前言

低合金熱軋鋼帶產品具有強韌性好、易焊接、加工彎折性好等優異的使用性能，廣泛應用于建筑、橋梁、船舶等各行業［1］，其中，低合金熱軋鋼帶制結構方管因較好的力學性能和經濟性，作為塔吊基管廣泛應用于建筑工程領域［2］。在服役過程中，塔吊高空作業，風雨、高溫、嚴寒等復雜天氣，對方形基管質量及焊接性能要求極高［3］。本文針對某方管制造企業在鋼帶制管過程中，某7.75 mm 厚度規格鋼帶在彎折對焊后發現的焊縫斜向裂紋基管為研究對象，采用金相顯微鏡、火花直讀光譜儀、布氏硬度計等檢驗工具，對試樣缺陷處組織、成分、布氏硬度等進行多角度觀察分析，結合缺陷母材成分及力學性能檢測，分析可能引起焊后裂紋缺陷的原因及影響因素，為生產工藝優化及施工防護，提供技術參考。

2 試驗材料及方法

2.1 試驗材料

實際生產中，Q355B 低合金熱軋鋼帶執行GB/T 1591—2018《低合金高強度結構鋼》標準要求，采用連鑄坯加熱后經粗軋、精軋等工序，經層流冷卻，卷取制成鋼帶。結合用戶技術要求，再經平整、檢驗、稱重、包裝等工序后吊裝入庫。其生產工藝流程為：鐵水預處理→頂底復吹轉爐冶煉→LF 精煉→連鑄→加熱→軋制→冷卻→卷取→取樣、檢驗→包裝入庫。

試驗用鋼管為某方管制造企業生產過程中所使用的7.75 mm×1 055 mm 規格Q355B 熱軋鋼帶，在其制管過程中，對原料鋼帶進行開卷，沿開卷鋼帶寬度方向進行平均縱剪，均勻切分為三段，對每段鋼帶分別進行彎折對焊，其中原始鋼帶切分后中間部分經彎折、成型、焊接后發現存在半垂直于焊縫的斜向裂紋，鋼帶表面有輕微氧化鐵皮。

2.2 化學成分及力學性能檢驗

對失效鋼管進行切割取樣，試樣經磨樣、拋光、洗滌風干后，使用直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析；切割修磨拋光制金相試樣，用4%濃度硝酸酒精侵蝕液侵蝕后，利用光學顯微鏡進行金相觀察；采用萬能拉伸試驗機對鋼帶母材進行力學性能檢測。

對試樣母材及焊縫處分別進行化學成分檢測，結果如表1 所示。從表1 可知，試樣化學成分符合GB/T 1591—2018《低合金高強度結構鋼》標準要求。力學性能應符合表2 要求，參照GB/T 228—2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》及GB/T 229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，在裂紋方管母材鋼帶靠近頭部、尾部、中間部位取橫向拉伸樣及縱向沖擊試樣各3 塊，進行力學性能檢驗，結果見表2。由表2可知，該鋼帶力學性能符合GB/T 1591—2018標準的要求。

表2 力學性能

2.3 布氏硬度檢驗

在裂紋鋼帶母材及裂紋兩側各取65 mm×85 mm 試樣一塊，表面修磨后，根據GB/T 231［2］.1—2009《金屬材料布氏硬度試驗》標準要求，對其進行布氏硬度檢驗。試驗參數：施壓載荷為3 000 kg，載荷時間為20 s，在母材樣、裂紋樣焊縫處及焊縫附近10 mm 處依次測定10 數據點結果可知，受焊接熱應力影響，焊縫處硬度最大，硬度集中在215～199 HBW；焊縫附近仍為焊接熱影響區，硬度較母材高，集中在185～196 HBW；母材樣硬度最小，波動范圍最低，硬度集中在158～167 HBW。硬度檢測未發現明顯異常，對彎折及焊接開裂影響程度不大。

2.4 夾雜物分析與金相觀察

在方管裂紋處及母材基體處各取規格為20 mm×20 mm 金相樣，使用超聲波清洗儀清洗切割試樣，在18～80 μm砂紙上依次打磨橫截面，選取2.5 μm金剛石拋光劑進行試樣拋光，再經過超聲清洗、吹干后，對試樣通體進行夾雜物存在與否及形貌觀察，如圖1所示。

圖1 裂紋樣與母材樣夾雜物觀察圖

非金屬夾雜物的存在會割裂基體組織連續性，其形態、尺寸、數量及分布將影響鋼基體塑韌性，鋼帶分剪或彎折焊接時，大形脆性夾雜物的存在極可能誘發應力集中，造成微裂紋甚至開裂。由圖1可知，試樣夾雜物含量較少，純凈度較高，對兩個試樣由上至下通體掃描觀察，僅在裂紋樣上發現長度約75、23、27 μm 的C 類硅酸鹽夾雜物3 處，母材樣上發現長度約69 μm的C類硅酸鹽夾雜物1處。結合冶煉工藝，夾雜物總量控制在1 級之內，夾雜物含量并不是引起裂紋的主要原因。

使用4%的硝酸酒精溶液對拋光試樣腐蝕后，進行顯微組織觀察，根據GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》、GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》等標準要求，對其進行組織分析及晶粒度評定。裂紋金相樣的金相組織為珠光體+鐵素體+少量貝氏體，晶粒度10 級；母材金相樣金相組織為珠光體+鐵素體+少量貝氏體，晶粒度10級。由此可知，裂紋方管母材及裂紋試樣組織與晶粒度評定，結果均符合GB/T 1591—2018標準要求，其金相組織形貌如圖2、圖3 所示。圖2 可知，宏觀上看裂紋為橫裂紋，切開后裂紋實際為斜向裂紋，貫穿鋼帶全厚度，且晶粒均勻細小，組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏體，晶粒度約10 級，貝氏體一般出現在鋼帶精軋終軋溫度過高而水冷強度較大，卷取溫度低時，可提高基體強度，但對其韌性有一定影響，盡管裂紋附近處存在貝氏體，但含量極少，對韌性及加工、焊接性能影響有限；裂紋兩端無明顯脫碳及Si、Mn 氧化物析出，排除鑄坯原始裂紋，且未發現氧化鐵皮、金屬折疊，可排除軋制缺陷裂紋；再者，裂紋處金屬流向沿裂紋撕裂向內延展，為應力變形導致的應力裂紋特征。結合圖3可知，母材金相組織、晶粒度與裂紋樣均一致，無明顯偏析帶及組織異常。綜上所示，母材鋼帶原始成分、組織、性能均符合標準要求，未發現異常，從裂紋缺口金屬流向及應力裂紋形貌可知，縱剪彎折焊后裂紋與剪切工藝有關。

圖2 裂紋樣金相組織

3 分析與討論

低合金鋼帶制管焊接斜向裂紋的形成，常見原因，一是母材鋼帶在冶煉、軋制時組織或邊部存在原始缺陷，二是剪切、彎折、焊接時操作不當或工藝問題導致的剪切缺陷。

（1）母材鋼帶冶煉時成分異常，硫、磷、砷等易誘發裂紋的元素含量高，形成偏析，或含量處于較高水平且分布不均、形態異常，誘發鋼基體塑、韌性下降，導致鋼材在受到外加載荷及焊接熱應力時，應力集中，造成裂紋［4］。

（2）母材鋼帶在冶煉時鋼液未走精煉或精煉不足，鋼液中夾雜物及有害組織高，軋制時分布不均，對鋼基體連續性割裂效果明顯，尤其是當存在大顆粒夾雜物或延展性高的A 類硫化物等夾雜時，嚴重降低母材塑性和韌性，形成不規則表面夾雜（夾層）、邊部翹皮等缺陷，嚴重影響彎折成型及焊接質量［4-6］。

（3）板坯軋制過程，由于軋輥調整不好、輥型不合適或邊部溫度低，軋制時延伸不好，材料邊部的局部區域受到超過它的強度極限的應力，導致鋼帶邊緣沿長度方向一側或兩側產生破裂，有明顯的金屬掉肉、裂口，嚴重者呈鋸齒狀，該類缺陷嚴重影響對焊效率［6］。

（4）鋼帶開卷時承受拉力、彎矩或剪力過大，達到甚至超過極限應力，特別是當現場拉矯力控制不當，設備波動大，以及正常大載荷拉矯時，突然斷電或緊急狀況導致的設備急停，極易導致母材撕裂、斷帶。

（5）鋼帶分剪時，縱剪剪刀邊部存在缺口、銹蝕等缺陷，或者剪刃磨損、碎裂、存在其他損傷，或者剪切刃與鋼帶間隙設定誤差大，導致鋼帶切割不凈，沿著鋼帶切邊、切削飛邊或者剪切裂紋處誘發出飛鏢狀、星狀斷裂，與開平后鋼帶約成45°斜角，低合金高強度鋼及耐磨鋼易產生此類缺陷。

（6）鋼帶經圓盤剪分剪，由于圓盤剪剪刃老化、剪刃崩，或者剪切速度控制不當，導致剪邊質量差，使得鋼帶存在切邊毛刺、尖角、缺口等易造成應力集中的缺陷點，嚴重時邊部呈現多肉或缺肉撕裂的現象，在外部受載或焊接時，極易沿著這些缺陷點延展，導致結構失效［7］。

綜上所述，結合方管縱剪焊后鋼帶的成分、硬度、金相組織及力學性能檢驗，認為該焊縫處裂紋是由于縱剪剪刃鈍化、剪切質量不高導致的。主要原因如下：裂紋兩端及附近無明顯脫碳、Si、Mn氧化物析出，以及氧化鐵皮、金屬折疊，原始缺陷并非來自母材；同時，金相組織上裂紋處金屬流向沿裂紋撕裂向內延展，為應力變形導致的應力裂紋特征；再者，該裂紋為斜向裂紋，貫穿鋼帶7.75 mm 全厚度。原始鋼帶分剪為3段，僅中間帶存在周期性非連續該類缺陷，因中間帶兩端均為剪刀切邊，剪刃鋒利程度及剪切質量直接決定了彎折后對焊效率，剪刃鈍化導致鋼帶切邊撕裂出明顯的斜角裂口，引起了該類質量問題。

實際生產中，做好以下處理，可有效杜絕該類問題：①定期檢查剪刀剪切刃，對服役到期或存在缺陷的剪刀及時更換，保證剪刃鋒利度，做好鋼帶表面及切邊精度處理，減少應力集中，降低甚至杜絕剪切邊毛刺、微裂紋等隱患缺陷；②優化剪切工藝，根據鋼帶厚度規格及牌號性能，選擇合理剪刀，調整好剪刃間隙；③鋼帶與剪切時的橡皮墊間隙調整到位，選擇高度、尺寸合適的橡皮墊或墊條，確保切割質量及效率。

4 結語

針對某方管制造企業在對7.75 mm×1 055 mm規格Q355B 低合金熱軋鋼帶進行分剪彎折制造方管過程中，焊接后出現的斜向裂紋實際問題，經宏觀觀察，并在問題方管上合理取樣，進行了成分、硬度、金相組織及力學性能等試驗觀察與表征，認為母材鋼帶在化學成分、夾雜物含量、金相組織、晶粒度及力學性能等指標均符合標準要求。

綜合分析，認為該缺陷主要因為鋼帶縱剪時因剪刃鈍化導致切邊撕裂形成的剪切裂口。實際生產中選擇合適縱剪刀具，定期維護保養，保證剪刃鋒利度，避免刀具銹蝕、磨損等應力集中缺陷對鋼帶邊部剪切質量的影響；同時優化剪切工藝，根據鋼帶厚度規格及牌號性能，選擇合理剪刀，調整好剪刃間隙；根據鋼帶厚度及力學性能，合理布局剪切墊板，調節至合理高度，優化剪切工藝，可有效避免該類焊后裂紋問題。