Q345R中厚板對接焊縫缺陷分析

郭志成, 刁旺戰,2, 徐祥久,2

(1.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150046;2.高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150046)

0 前言

Q345R鋼板，作為國內用量最大、應用范圍最廣的低合金鋼板之一，被廣泛應用于壓力容器制造等領域。Q345R鋼板具有良好的工藝性能及力學性能，碳、硫、磷含量較低，錳含量較高，具有良好的抗結晶裂紋能力，對于30 mm厚度以下的鋼板，正常情況下不易出現焊接裂紋[1]。但對于厚度較大的Q345R軋制鋼板，很容易在鋼板心部出現微裂紋[2-4]。此外，隨著鋼板厚度的增加，焊接層數也隨之增加，焊接時產生裂紋的傾向也會變大。目前對于Q345R焊接缺陷的分析主要集中于結晶裂紋及冷裂紋等常見缺陷。文中對于容器及鍋爐產品制造過程中Q345R中厚板對接焊縫熱影響區出現的缺陷進行了取樣分析，判明了缺陷屬于熱裂紋中的液化裂紋。結合其他實驗數據以及相關文獻，分析了Q345R中厚板焊接過程中液化裂紋的成因，并提出了此類缺陷的返修方案及避免措施。

1 材料及焊接方法

某容器筒身材質為正火態Q345R鋼板，厚度為70 mm。母材的化學成分和力學性能見表1和表2，均滿足GB/T713—2014的要求。按照NB/T 47013.3對鋼板邊緣及中心進行了超聲波檢測，結果為I級合格。該容器環縫焊接坡口為GB/T 985.2中的UY形窄間隙埋弧焊焊接坡口，如圖1所示。內側V形坡口采用焊條電弧焊封底，外側U形坡口采用埋弧焊。焊材選擇為GB E5015焊條、H08MnMoA焊絲及SJ101焊劑。

表1 鋼板主要化學成分(質量分數，%)

表2 鋼板主要力學性能

圖1 坡口形式及尺寸

2 缺陷分析過程及結果

2.1 取樣及加工

該容器焊后在超聲波無損檢測過程中發現多條環縫均在板厚1/2深度處出現了環向的線性缺陷，總長度超過環縫的2/3。缺陷僅在焊縫一側出現，另一側檢測結果合格。在出現缺陷的焊縫上通過氣割取樣進行分析，將取下的大塊試樣沿焊縫方向分割為40 mm厚切片，通過銑加工去除硬化層后對表面進行滲透檢測，在試樣兩側焊縫截面上均發現了缺陷。

在缺陷處取金相試樣，通過光學顯微鏡進行宏觀及微觀金相檢驗發現，缺陷位于熔合線靠近熱影響區一側。缺陷呈長條狀，延伸方向垂直于焊縫。缺陷表面及周邊具有明顯氧化痕跡，且為沿晶斷裂而非穿晶斷裂，因此判定為熱裂紋。微觀檢測結果如圖2所示。

圖2 缺陷部分的微觀檢測結果

2.2 金相檢驗結果

缺陷試樣母材部分金相檢測結果如圖3所示。圖3a為缺陷試樣母材部分(位于板厚中間)的金相組織照片，圖3b為相同試樣位于板厚邊緣部分母材的金相組織照片。圖4為使用相同焊接方法及焊接材料而未出現焊接缺陷的70 mm厚Q345R鋼板厚度中心處母材部分的金相檢測結果。根據GB/T 13299 《鋼的顯微組織評定方法》，對比可以發現存在缺陷的產品母材偏析程度(帶狀組織達4級，最高5級)高于未產生缺陷的產品。此外，在發現缺陷的產品母材厚度中心部分還分布著少量夾雜物。

2.3 掃描電子顯微鏡(SEM)及能譜分析(EDS)結果

利用掃描電子顯微鏡對試樣進行放大觀察以及進行能譜分析。圖5、圖6為缺陷及附近夾雜物的掃描電子顯微鏡(SEM)照片及能譜分析(EDS)結果，可以看到夾雜物成分以氧化鐵為主，同時含有硫等其他雜質元素。

圖3 缺陷試樣母材部分金相檢測結果

圖4 未出現缺陷的Q345R鋼板(δ=70 mm)金相檢測結果

圖7、圖8及表3為圖2中缺陷內部的掃描電子顯微鏡(SEM)照片及能譜分析(EDS)結果?？梢园l現缺陷內部表面含有大量氧化物，同時碳元素、硅元素及錳元素含量大幅提高，已經超過了國家標準(GB 713—2014)中規定Q345R的上限值(0.20%，0.55%，1.60%)。

圖5 夾雜物的SEM照片

圖6 夾雜物的EDS分析結果

圖7 缺陷內部SEM照片

圖8 缺陷內部區域EDS分析結果

表3 缺陷內部區域EDS分析結果

3 分析與討論

3.1 缺陷類型及產生原因

熱裂紋主要分三種，分別為結晶裂紋、液化裂紋、失延裂紋及多邊化裂紋，其特征見表4[5]。

液化裂紋是一種在高溫下形成的熱裂紋，通常起源于緊靠焊縫熔合線的母材熱影響區內[6]。電弧熔焊時，該區域被瞬時加熱到接近母材熔點的高溫，由于焊接熱循環的溫度梯度較大，散熱較快，熱影響區的母材本身尚未熔化，而晶界上的低熔點共晶相可能已完全熔化。當焊接熔池冷卻時，這些低熔點共晶相尚未完全重新凝固，而接頭的焊接應變已達到較高的水平，就會導致晶界上出現裂紋。這些晶間液膜的熔點愈低，重新凝固的時間愈長，則鋼材產生液化裂紋的傾向愈高。另一方面，在多層焊過程中，熱影響區在高溫停留的時間愈長，產生液化裂紋的傾向也會愈嚴重。

文中所研究的缺陷表面具有明顯氧化色彩，且具有沿晶界斷裂的特征。斷口表面主要成分為氧化物，斷口表面非常圓滑，表明是液膜分離的結果。除此之外裂紋位于母材熱影響區部分而非焊縫金屬區域，因此判定該缺陷為熱裂紋中的液化裂紋。

表4 熱裂紋的特征

根據液化裂紋的產生機理以及前文中的分析結果可知，該產品在焊接過程中中產生液化裂紋的主要原因在于，母材厚度中心位置的偏析過于嚴重，導致大量低熔點夾雜物(如硫化物、硅酸鹽、氧化物等)在該區域處聚集，高溫下就有可能形成液化裂紋。根據文獻論述，在Q345R等低合金鋼厚板中經常出現由于偏析導致的夾雜物富集，這些區域極容易產生裂紋，這些裂紋同時也是鋼板無損檢測及力學性能測試不合格的主要原因。由于偏析的存在，熱軋鋼板的化學成分在厚度方向上分布極為不均。當偏析極為嚴重時，就可能導致局部區域雜質元素含量超標，在焊接過程中就會產生裂紋。

液化裂紋其本身尺寸非常小，僅有0.5 mm左右，一般只有在金相顯微鏡下才能發現，但它往往會成為冷裂紋、再熱裂紋、脆性破壞和疲勞斷裂的發源地[7]。而大量相關資料說明，液化裂紋往往是導致母材出現宏觀裂紋以及運行過程中發生事故的直接原因之一，因此必須在制造過程中予以消除[8-10]。

同時，由于多層埋弧焊的熱輸入較大，熱影響區范圍較寬，奧氏體晶粒較為粗大，降低了晶界強度，這些也是引起熱裂紋的重要因素[11]。當母材中存在裂紋時，由于裂紋尖端的缺口效應造成應力、應變的集中，很容易在焊接熱應力的作用下沿力學性能較差的厚度中心區域及熱影響區擴展[12-13]，形成與焊縫平行的線性裂紋。

3.2 缺陷返修及控制措施

對于這類由母材原因產生的缺陷，返修時應格外注意。由于缺陷位于熱影響區，很容易向母材方向擴展，因此在去除缺陷后除去表面無損檢測以外，還應進行對坡口兩側進行超聲波檢測等內部無損檢測。否則當原焊縫中偏析嚴重區域與補焊時的熔合區及熱影響區重合時，很有可能再次產生新的裂紋[14-15]。在返修過程中應盡可能控制焊接能量的輸入，并采用減小電流參數、窄焊道、多層多道焊等工藝措施來保證焊接質量[16]。對于文中中出現缺陷的產品，為保證徹底去除缺陷，將整條環縫及周邊區域去除，檢測合格后重新加工坡口進行焊接。返修采用焊條電弧焊及埋弧焊，采用小電流參數及更快的焊接速度焊接。返修后該焊縫重新檢測合格。

影響液化裂紋產生的主要因素有硼、鎳、鉻、硫、磷等元素的含量，以及焊縫接頭的應力狀態等[7]。通過控制原材料中的元素含量，以及原材料生產過程中選用合適的工藝，可以極大的減小偏析，從而減少裂紋等缺陷的數量[2-4,17]。比如降低母材中的碳、硅含量，可以增強母材的焊接性，減少焊接缺陷的產生。此外，還應嚴格控制母材以及硫、磷等雜質元素含量。

4 結論

通過對于在容器產品制造過程中Q345R中厚板對接焊縫熱影響區出現的缺陷進行了取樣分析，判明了缺陷屬于熱裂紋中的液化裂紋。缺陷產生的原因一方面是軋制過程中硫化物等夾雜物在鋼板邊緣聚集，導致了應力集中，另一方面由于中心偏析導致的碳、錳元素含量升高，導致中心區域力學性能下降，在焊接循環熱應力的作用下裂紋從應力集中處產生，并沿熱影響區擴展。通過控制母材偏析程度、減小返修焊接熱輸入等方法，有效減少了缺陷的產生。