無縫鋼管焊接質量的試驗分析

孫俊玲

（榆次液壓有限公司，山西 晉中 030600）

0 引言

45無縫鋼管的平均含碳量（質量分數）為0．42%～0．50%，平均含硅量（質量分數）為0．17%～0．37%，平均含錳量（質量分數）為0．50%～0．80%，平均含硫量（質量分數）≤0．035%，平均含磷量（質量分數）≤0．035%，平均含鉻量（質量分數）≤0．25%，平均含鎳量（質量分數）≤0．254 5%。

缸筒是液壓缸上的主要部件，此油缸技術參數為：缸徑Φ150mm，桿徑Φ110mm，行程1 950mm，壓力16MPa，缸筒材料采用45無縫鋼管，無縫管采購回來后不進行任何熱處理及表面處理。缸筒加工工藝為：定尺下料（鋸床）→車工藝夾頭→粗鏜→精鏜滾壓內孔。此油缸作為螺旋鉆機起架油缸，在裝配完畢進行試車時發生缸筒斷裂事故，而其他相關件并無損壞。經分析原因為缸筒表面存在焊接質量很差的焊縫，造成缺陷處應力集中和局部區域應力疊加，加之缸筒本身性能指標較低，這些因素共同作用的結果。

本文針對缸體斷裂的案例，闡述了該類無縫鋼管的焊接特點和采取的工藝措施，對45無縫鋼管的焊接質量控制進行分析總結。

1 試驗分析

1．1 宏觀斷口分析

油缸缸筒斷裂發生在下端一側大約400mm左右位置，缸筒外徑約Φ180mm，壁厚約14mm，表面有一條長約70mm焊縫，見圖1～圖6。斷口宏觀分析表明：斷裂起源于缸筒外表面焊點處，為一次性快速脆性撕裂。分別截取不同部位斷口旁試樣，做進一步試驗分析。

1．2 材料化學成分檢測試驗

圖1 設備事故現場宏觀形貌

圖2 油缸缸筒斷裂宏觀形貌

圖3 裂源區斷口宏觀形貌

圖4 脆性斷口宏觀形貌

圖5 缸筒表面焊縫宏觀形貌

圖6 內表面裂紋宏觀形貌

表1 缸筒基體化學成分（質量分數）檢驗結果 %

缸筒基體化學成分檢驗結果見表1。檢驗結果表明：基體材料各元素均在標準要求范圍內，合格。

1．3 顯微組織分析

1．3．1 缸筒中非金屬夾雜物試驗缸筒中非金屬夾雜物試驗結果見表2。

表2 缸筒中非金屬夾雜物試驗結果

1．3．2 缸筒裂源區由表面至心部組織、晶粒度試驗

缸筒裂源區由表面至心部組織、晶粒度試驗結果見表3。

表3 缸筒裂源區由表面至心部組織、晶粒度試驗結果

顯微組織分析表明：缸筒基體組織為珠光體＋塊狀、針狀鐵素體、魏氏組織3級，晶粒度為6．0級和3．0級，屬過熱組織；表面焊點焊縫組織非常粗大，尤其是熱影響區出現針束狀、板條狀馬氏體，晶粒較粗，見圖7～圖8所示。說明缸筒基體組織是明顯過熱的缺陷組織，表面焊點焊縫熱影響區組織也為不允許組織。

圖7 焊縫組織 100×

圖8 基體組織 100×

1．3．3 斷口旁顯微組織分析

斷口旁顯微組織分析表明：有兩條裂紋，一條較細，一條稍粗，裂紋斷續、曲折、鋸齒狀分布，裂紋旁組織無明顯變化，也無氧化、脫碳現象，見圖9～圖10。說明裂紋是后面形成的，屬明顯的應力裂紋。

圖9 裂縫 100×

圖10 裂縫組織 100×

1．4 掃描電鏡斷口分析

裂源區斷口掃描電鏡分析表明：開裂起源于缸筒表面的焊點，焊縫與熱影響區形成明顯的圓弧形區域，表面起裂區大部分為光滑缺陷區和柱狀波紋花樣，同時兩側焊縫與基體交接表面處均有裂紋、夾渣等缺陷存在，表面各處的下面均是大片的沿晶斷花樣，應該是對應的焊縫熱影響區，此沿晶斷花樣區分布在整個圓弧形區域。圓弧形區域與基體斷口有明顯分界，基體斷口呈典型的人字紋花樣，指向圓弧形區域裂源區，基體斷口呈粗大的解理花樣＋二次裂紋，內表面終斷區有很薄的剪切唇，說明表面焊縫存在裂紋、夾渣等嚴重缺陷，同時造成熱影響區呈完全脆性，斷裂屬起源于表面焊縫的快速脆性撕裂。

對斷口掃描電鏡分析表明：斷裂起源于缸筒內表面，裂源區有數個小的豎棱存在，表明有應力集中存在，整個斷口均為粗大的解理花樣＋二次裂紋，終斷區外表面有明顯的凹陷，應為斷裂落地后磕碰的，說明此處開裂是由內表面向外的快速撕裂。

2 討論與分析

2．1 缸筒材料質量分析

缸筒采用45無縫鋼管，基體化學成分試驗分析結果表明成分符合材質要求?；w顯微組織分析表明，鋼中純凈度較好，在合格范圍內。缸筒基體組織為珠光體＋塊狀、針狀鐵素體、魏氏組織3級，晶粒度為6．0和3．0級，屬過熱組織，說明缸筒基體組織是明顯過熱的缺陷組織，這往往是鍛造或軋制加熱溫度過高，終鍛溫度也過高而形成的。一般來說，具有魏氏組織的鍛件，不僅拉伸性能有所降低，其沖擊性能降低得尤為劇烈，使鋼材變脆。

缸筒表面有一條長約70mm的縱向焊縫，主要是用來連接和固定并排安放的兩個缸筒，組織分析表明表面焊縫組織非常粗大，尤其是熱影響區出現針束狀、板條狀馬氏體，晶粒很粗大，屬于超硬的不允許組織，同時可知焊縫中存在裂紋、夾雜等嚴重缺陷。說明表面焊縫的焊接存在的明顯操作不當，本身缸筒材料可焊性較差，若焊接時工藝、操作不當，增加了焊接缺陷的產生，將直接影響到油缸的使用。

2．2 缸筒橫向斷裂原因分析

油缸缸筒在表面焊縫連接處斷裂，宏觀、微觀試驗分析結果表明，開裂起源于缸筒表面的焊縫與熱影響區形成明顯的圓弧形區域，表面焊縫存在裂紋、夾渣等嚴重缺陷，同時造成熱影響區呈完全脆性，可以確定斷裂屬起源于表面焊縫的快速脆性撕裂。油缸即液壓缸是輸出力和活塞有效面積及其兩邊的壓差成正比的直線運動式執行元件，其職能是將液壓能轉換成機械能。本液壓缸缸筒采用45無縫鋼管，此種材料也是缸筒的常用材料，但此材料可焊性較差，如果要焊接作業，需要采取適當措施予以保護和控制，試驗分析結果可以確定缸筒表面連接焊縫存在明顯操作不當，造成熱影響區形成硬化組織，且焊縫中存在裂紋、夾渣等嚴重缺陷，同時局部快速加熱與冷卻，導致產生陡降的溫度場，由此產生熱應力，而金屬冷卻收縮受到限制可引起較大的拘束力，這樣，局部區域的金屬處于三維拉伸狀態，甚至可能造成缸筒局部彎曲，當油缸工作時，由于較大的推力、重力作用，可造成缸筒表面焊縫缺陷處應力集中和局部區域應力疊加，加之缸筒本身性能指標較低，一旦超過材料強度極限，將容易產生起源于焊縫缺陷區的沿管壁擴展的快速脆性撕裂。

3 結論

油缸缸筒斷裂是因為表面存在焊接質量很差的焊縫，造成缺陷處應力集中和局部區域應力疊加，加之缸筒本身性能指標較低，共同作用的結果。

焊接質量控制是承壓設備產品總體質量控制的核心。控制焊縫質量應從焊接材料、焊接設備、焊接工藝、焊接操作、焊后熱處理、焊縫檢驗等方面入手，制定出正確可行的焊接方案，從而能保證可行、可靠的焊縫，確保產品的整體質量。

［1］ 張博．金相檢驗［M］．北京：機械工業出版社，2009．

［2］ 鄧紅軍．焊接結構生產［M］．第2版．北京：機械工業出版社，2009．

［3］ 黃振東．鋼鐵金相圖譜［M］．北京：中國科技文化出版社，2005．