Q345R鋼埋弧焊焊縫開裂原因分析*

黃 靜，趙國仙，宋 洋

（1.西安石油大學 材料科學與工程學院，西安 710065；2.西安摩爾石油工程實驗室股份有限公司，西安 710065）

在壓力容器生產過程中，作為應用最廣泛的壓力容器材質——Q345R 鋼，是低合金結構鋼的一種，與普通碳素結構鋼相比，具有強度高、耐腐蝕性好、 用于工程結構制造質量輕、 低溫性能好等特點，但在焊接過程中出現裂紋的現象較為普遍，尤其是在進行自動埋弧焊焊接時，經常會產生焊接裂紋。 焊接裂紋是焊接結構危害最大、 最危險的一種缺陷，裂紋缺陷主要分為熱裂紋、 冷裂紋、 層狀撕裂等，此缺陷不僅可降低焊縫強度，更容易在裂縫的末端形成尖銳的缺口，進而引發嚴重的應力集中，造成焊接結構開裂，所以在焊接過程中要盡量避免焊接裂紋的產生[1-5]。本研究就某Q345R 鋼埋弧焊過程中焊縫開裂原因進行分析。

焊件為Q345R 鋼正火鋼板，由多個形狀不規則的塊狀試樣拼接形成規格為Φ8 000 mm×68 mm×119 470 mm 的不規則圓筒狀產品，在埋弧焊環向焊縫焊接過程中發生了開裂。 焊接材料是焊絲（H10Mn2）+焊劑（F5P2-H10Mn2），焊接電流為 590～600 A，電壓為 30～32 V，焊接速度為30～35 cm/min，焊前工件預熱溫度為 80～110 ℃。施工場地在海邊，露天作業。 與開裂焊縫左右相近的 4 個筒節，每節單重 36 327 kg。 為了研究Q345R 鋼在此焊接過程中焊縫發生開裂的原因，對該焊縫開裂處進行了檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀形貌

沿長度方向即焊接方向有一條貫穿試樣的焊縫，每10 cm 拍一張照片，其中在垂直焊縫方向存在4 條極為明顯的裂紋，如圖1 紅色方框所示。

圖1 試樣宏觀形貌

利用4%HNO3+96%C2H5OH 溶液對試樣橫截面進行浸蝕，浸蝕時間約10 s，浸蝕后的試樣橫截面如圖2 所示。

圖2 浸蝕后的試樣橫截面照片

1.2 化學成分分析

利用ARL-3460 直讀光譜儀，依據國標GB/T4336—2016 對試樣的母材及焊縫區域任取兩點進行化學成分檢測。 表1 為母材化學成分分析結果，表2 為焊縫化學成分分析結果，表3 為焊絲的化學成分。

由表1 和表2 可知，母材和焊縫金屬的化學成分均滿足GB/T 713—2014 《鍋爐和壓力容器用鋼板》 標準要求。

由表3 可知，焊絲H10Mn2 的化學成分既滿足GB/T 5293—1999 《埋弧焊用碳鋼焊絲和焊劑》 標準要求，也滿足 GB/T 5293—2018 《埋弧焊用非合金鋼及細晶粒鋼實心焊絲、 藥芯焊絲和焊絲-焊劑組合分類要求》 標準要求。

表1 母材化學成分分析結果 %

表2 焊縫化學成分分析結果 %

表3 焊絲H10Mn2 的化學成分 %

1.3 力學性能分析

1.3.1 硬度分析

在焊件橫截面上截取硬度試樣，選用HB-300B 布氏硬度試驗機，依據ASTM E10-17 《金屬材料布氏硬度標準試驗方法》 對試樣的母材區、熔合區及焊縫區進行硬度測試，測試結果見表4。

表4 硬度測試結果

由表4 可見，母材的硬度平均值為176.7HBW，熔合區為 231.3HBW，焊縫區為193.7HBW。 由于標準中對Q345R 鋼的硬度無規定，因此該硬度測試結果僅供參考。 但是可明確的是，焊縫區及熔合區的硬度高于母材，符合一般碳鋼及低合金鋼的規律。

1.3.2 沖擊韌性分析

選用 ZBC2303-B 擺錘沖擊試驗機，依據ASTM E23-12c 標準，對試樣尺寸為 10 mm×10 mm×55 mm 的焊縫金屬進行0 ℃沖擊試驗，試驗結果見表5。

表5 沖擊韌性試驗結果

由表5 可見，焊縫金屬在0 ℃下的全尺寸沖擊功平均值為157.2 J，遠高于GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》 標準要求。

1.4 金相組織分析

采用 LEICA DMI3000M 型金相顯微鏡，依據國標 GB/T 13298—2015、 GB/T 6394—2017、GB/T 10561—2005 對試樣的母材、 熱影響區及焊縫進行顯微組織、 晶粒度、 非金屬夾雜物種類及等級進行分析。 圖3 為母材、 熱影響區及焊縫的顯微組織照片。

分析結果表明，母材、 熱影響區及焊縫區的非金屬夾雜物均為D 類1.0 級，無其他夾雜。 由圖3 可知，母材的顯微組織為細小的鐵素體+珠光體的正火組織，并且存在帶狀組織，符合軋制鋼的特征。 熱影響區的組織為馬氏體上分布有羽毛狀貝氏體和粒狀貝氏體，晶粒較粗大。 焊縫的顯微組織基體為索氏體，有塊狀及針狀鐵素體沿柱狀晶分布，晶粒較細小。

圖3 試樣顯微組織 500×

2 分析與討論

2.1 裂紋附近顯微組織分析

焊件的平面劃定及取樣位置如圖4 所示。 由圖4 可知，裂紋產生后，沿 z 軸及 x 軸方向擴展，最終形成垂直于焊縫方向 （即oy 方向） 的裂紋擴展面。 因此，利用線切割儀器在焊件上割取帶裂紋的試樣，分別為 xoy 平面試樣 （1#）、yoz 平面試樣 （2#），如圖5 所示。

圖4 焊件的平面劃定及取樣位置

對試樣裂紋附近的基體夾雜物種類及等級、顯微組織進行分析，分別如圖6 和圖7 所示。由圖6 和圖7 可見，1#和 2#試樣裂紋附近的夾雜物種類、 等級及金相組織均無異常現象，且與未發生開裂部位的夾雜物種類、 等級和金相組織具有相似的特征。 并且由圖6 （b） 和圖7 （b）可見，裂紋的擴展方式包括穿晶擴展與沿晶擴展兩種方式。

圖6 1#試樣裂紋附近的基體夾雜物及金相組織

2.2 裂紋表面形貌分析

圖7 2#試樣裂紋附近的基體夾雜物及金相組織

圖8 刨開后的裂紋表面

為了確定裂紋的開裂性質，沿著裂紋擴展面將存在裂紋的試樣刨開 （如圖 8 所示）。 由圖 8 可見，裂紋擴展的范圍極大，在 zox 面上沿著z 軸與x 軸兩個方向擴展，肉眼即可觀察到在產生裂紋的焊縫斷面上發生了嚴重的氧化色彩，在整個焊縫區域內，已氧化成紅褐色，由此可以判定該裂紋是在較高溫度下發生的，并且整個宏觀斷口比較粗糙，因此，可以判斷此焊接裂紋為熱裂紋。 熱裂紋是在焊縫結晶后期溫度較高時，焊縫和熱影響區金屬冷卻到固相線附近的高溫區時產生的，一般沿焊縫中心線縱向分布[6-7]。 從理論上分析，引起焊縫熱裂紋的原因有兩點： 一是低熔點雜質；二是焊接過程中的拉應力。 拉應力是產生熱裂紋的外因，晶界上的低熔點共晶體是產生熱裂紋的內因，拉應力通過晶界上的低熔點共晶體而造成裂紋[8-9]。

熱裂紋的特征是沿原奧氏體晶界開裂。 C 含量高時，S 在Fe 中的溶解度會降低，當鋼和焊接材料中的S 含量過高時，熱裂紋最容易產生。其主要原因是自由的S 在晶界集中，形成低熔點共晶體，又隨著結晶方向聚集在焊縫中央，這時在冷卻過程中，收縮應力與共晶體的聯合作用促進了熱裂紋的形成[3]。

圖9 裂紋表面氧化物EDS 分析區域

表6 裂紋表面氧化物EDS 分析結果

對裂紋表面氧化物進行EDS 分析，分析區域如圖9 所示，EDS 分析結果見表 6。 由圖9及表 6 可見，斷口表面覆蓋物中存在 C、 O、S、 Mn 及 Fe 元素。 其中，O 的存在表明了斷口在高溫下被氧化生成了鐵的氧化物。 S 是焊縫中常見的有害元素，促使焊縫金屬產生熱裂紋，降低沖擊韌度和腐蝕性。 S 在各類鋼中都會增大結晶裂紋的傾向，S 在液態金屬中以FeS 形式存在，在鋼中形成多種低熔點共晶體，使結晶過程極易形成液態薄膜，顯著增大裂紋的傾向。 在低合金高強鋼中S 雜質含量超標，在焊縫結晶過程中存在偏析，形成低熔點共晶體。 在焊縫金屬凝固結晶后期，低熔點共晶體被排擠在柱狀晶交匯的中心部位，形成液態薄膜，而此時由于焊縫凝固收縮產生拉伸應力，當拉伸應力所產生的應變大于焊縫金屬所具有的塑性時，則在液態薄膜處就會開裂而形成裂紋[10]。

S 在焊劑中無法避免。 經焊接冶金反應生成的硫化物FeS 和MnS，部分殘存于焊縫，形成硫化物夾雜。 有時也會因母材或焊絲中的含S 而形成硫化物夾雜。 S 在鐵中有一定的溶解度，其值隨溫度變化較大。 高溫時，S 在δ 鐵中的溶解度為0.18%，而在γ 鐵中溶解度只有0.05%。 焊后冷卻過程中，當熔池結晶時，S 就從過飽和固溶體中析出而形成硫化物夾雜。 在鋼中硫化物夾雜主要有兩種形態MnS 和FeS。 一般地講，相比較FeS 而言，MnS 夾雜的形態和分布對鋼的力學性能影響不是很大，而FeS 則影響很大，因為熔池結晶時，FeS 沿晶界析出，并與 Fe 或 FeO 形成低熔點 （988 ℃） 共晶體，它是促成熱裂紋的重要因素之一[11]。

除此之外，C 元素極易與鋼中的其他元素形成低熔點共晶體，增加產生結晶裂紋的傾向。 Si 對焊縫金屬抗熱裂紋的影響與C 相似，Si 與Fe 也能形成低熔點共晶體，同時 Si 也能降低S 在Fe 中的溶解度，增加了產生結晶裂紋的傾向。 Mn 對抑制結晶裂紋的產生非常有利，Mn 的作用主要是它與 FeS 作用后生成MnS，MnS 本身的熔點比較高，又不會與其他元素形成低熔點共晶體，所以可降低S 的有害作用[12]。

在壓力容器焊接中，熱裂紋作為焊接過程中常見的焊接缺陷，其一般形成于焊縫內部，以結晶裂紋和液化裂紋為主。 在高溫條件下進行焊接時，焊縫內部的金屬結晶之間一般存在液相層，在焊接溫度不均勻、 由溫度變化產生的拉力大于內應力情況下，將使晶體層破裂，進而使焊縫產生結晶裂紋[13]，結晶裂紋是焊接熔池初次結晶過程中形成的裂紋，是焊縫金屬沿初次結晶晶界的開裂[14]。 裂紋面上有氧化色彩，沒有金屬光澤，即為結晶裂紋。 結晶裂紋產生的部位是焊縫、 熱影響區、 近縫區，通常發生在雜質較多的碳鋼、 低合金鋼、 奧氏體不銹鋼等材料焊縫中[10]。 產生結晶裂紋的原因有兩方面因素： 一是焊縫中存在液態薄膜；二是在焊縫凝固過程中受到拉伸應力，液態薄膜是產生結晶裂紋的內因，拉伸應力是產生結晶裂紋的必要條件[15]。

清除掉斷口表面覆蓋物之后對斷口進行SEM 分析，如圖10 所示。 由圖10 可見，裂紋沿晶擴展，且具有韌窩特征。

圖10 斷口表面SEM 圖像

3 結 論

（1） 對焊縫金屬的理化性能及顯微組織的檢測結果表明，焊縫金屬的各項性能均滿足標準要求。 母材的顯微組織為鐵素體+珠光體，熱影響區為馬氏體上分布有羽毛狀貝氏體和粒狀貝氏體，焊縫區的顯微組織基體為索氏體，塊狀及針狀鐵素體沿柱狀晶分布。

（2） 裂紋附近金屬中的夾雜物、 顯微組織等檢測結果未見異常，但裂紋表面的S 元素偏高。根據裂紋的特點判斷焊縫產生的裂紋屬于熱裂紋中的結晶裂紋。