復合板筒節開裂原因

齊紅梅， 趙紅威， 楊彥飛

(中鐵寶橋集團有限公司， 寶雞 721006)

爆炸復合板是利用高溫高壓爆炸沖擊波將不同性質的金屬板界面固相焊接而成的，目前已大量應用于石油化工、冶金、機械等行業[1]。某R60702/TA1/Q345R復合板經冷卷制造后再進行筒節的焊接，完成基層Q345R鋼焊接。對焊縫進行無損檢測時，在焊縫附近發現裂紋(見圖1)，并對其復合板母材進行無損檢測，發現在Q345R鋼層中也存在缺陷。該復合板采用爆炸焊進行復層焊接，為查找缺陷產生原因，對其取樣并進行了相關檢測與分析。

圖1 焊縫附近裂紋宏觀形貌

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢驗

在母材復合板缺陷處及焊接接頭裂紋處取樣并進行宏觀檢驗，母材復合板缺陷處試樣經酸蝕后未發現裂紋、未熔合等焊接缺陷，而在Q345R鋼基層中距離復合層界面較遠處存在長約45 mm的異常條帶，條帶附近有偏析現象[見圖2a)]。焊接接頭裂紋處試樣經酸蝕后，可見一條大致平行于焊縫縱向的裂紋，裂紋位于母材區Q345R鋼的基層，距熱影響區約1.5 mm，裂紋附近也存在嚴重偏析現象[見圖2b)]。

圖2 復合板缺陷及開裂處宏觀形貌

1.2 化學成分分析

在缺陷附近取基層試樣進行化學成分分析，結果如表1所示，化學成分符合標準GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》對Q345R鋼的要求。

表1 異常條帶及裂紋處的化學成分 %

1.3 非金屬夾雜物檢驗

在基層存在異常條帶及焊縫附近裂紋處取樣，依據標準GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定》進行非金屬夾雜物的評級。裂紋處試樣的檢驗結果級別為A3.0，B0.0，C0.0，D0.5，Ds0.0，并可見大量淡粉色的沉淀相[見圖3a)，3b)]；異常條帶處試樣的檢驗結果級別為A3.0，B0.0，C0.0，D0.5，Ds0.0，并可見大量淡粉色沉淀相[見圖3c),3d)]，該異常條帶由硫化物及淡粉色沉淀相所構成，與裂紋處夾雜物及沉淀相的類型一致，且淡粉色沉淀相顆粒較大，呈尖角狀。同時對裂紋進行觀察，裂紋尖端尖銳，主裂紋附近存在二次裂紋，二次裂紋附近也有較多硫化物及淡粉色沉淀相[見圖3e)]。

圖3 非金屬夾雜物、沉淀相及裂紋微觀形貌

1.4 金相檢驗

經過金相檢驗，發現在裂紋附近及異常條帶處的顯微組織均為貝氏體[見圖4a)，b)]，焊縫組織為索氏體+鐵素體[見圖4c)]，熱影響區組織為貝氏體+少量鐵素體[見圖4c)]，無缺陷處的顯微組織為鐵素體+珠光體[見圖4d)]，基層焊縫、熱影響區及母材無缺陷處組織無異常；裂紋附近存在的硫化物條帶由母材延伸至熔合線處終止[見圖4c)]，裂紋兩側也無脫碳現象[見圖4a)]。依據標準GB/T 6394—2017 《金屬平均晶粒度測定法》對裂紋附近母材、異常條帶處晶粒度進行評級，發現均為奧氏體，晶粒度為7.5級，未見異常。

圖4 裂紋和異常條帶附近、焊接接頭焊縫及熱影響區、無缺陷處的顯微組織形貌

1.5 能譜分析

對硫化物及沉淀相進行能譜分析，確定硫化物為硫化錳，淡粉色沉淀相為富鈮的化合物，能譜分析位置如圖5所示，分析結果如圖6，7及表2所示。

圖5 能譜分析位置

圖6 沉淀相能譜圖

圖7 硫化物能譜圖

表2 沉淀相及硫化物能譜分析結果 %

2 分析與討論

根據上述分析可知，該復合板基層Q345R鋼的化學成分符合GB/T 713-2014標準要求、晶粒度級別無異常、裂紋兩側無脫碳、焊縫及熱影響區組織無異常。

對復合板母材進行宏觀檢驗，未發現裂紋、未熔合等焊接缺陷，表明爆炸焊接質量良好，爆炸焊接通過固相連接，其復合界面距離異常條帶偏析區域較遠。對裂紋附近及異常偏析條帶處進行非金屬夾雜物及顯微組織檢驗，發現在二者附近均存在大量的硫化物及呈尖角狀的粉色沉淀相，夾雜物及沉淀相沿軋制方向呈條帶層分布，進一步通過能譜分析確定裂紋處及異常條帶處均為硫化錳及富鈮沉淀相，且兩部位的夾雜物及沉淀相類型一致，無缺陷處非金屬夾雜物無異常，表明開裂主要由夾雜物及沉淀相引起。筒節焊接接頭處裂紋僅存在于Q345鋼基層中，其大致平行于焊縫縱向且距熱影響區有一定距離，裂紋附近存在的非金屬夾雜物硫化錳及富鈮沉淀相條帶由母材區延伸至熔合線處終止。正常部位母材基層顯微組織為鐵素體+珠光體，偏析區域顯微組織主要為貝氏體且存在大量夾雜物及沉淀相，說明鋼中存在嚴重的成分偏析。

當鋼中增加錳元素后可與硫元素形成硫化錳夾雜物時，具有脫硫功效，可防止熱脆，故錳元素能改善鋼的鍛造性與可塑性[2]。鋼中添加微量鈮元素，是為了通過鈮元素形成的碳化物和氮化物阻止奧氏體晶粒在加熱時長大，在軋制時抑制奧氏體的再結晶及細化再結晶晶粒，同時還有沉淀強化的作用，但前提是形成的析出相顆粒細小且點狀彌散分布[3]。當硫化錳夾雜物聚集長大形成長條狀，鈮的沉淀相聚集長大形成有尖角狀的塊狀沉淀相時，容易在尖端形成裂紋源，產生微裂紋[4]。

綜上所述，缺陷存在于基層內部遠離界面較遠的部位，其內部溫度遠低于硫化錳和鈮沉淀相的形成溫度，因此在爆炸復合過程中不會產生硫化錳和鈮的沉淀相。由于基層Q345R鋼在冶煉過程中工藝控制不當，局部成分偏析，因此在該區域產生了大量硫化錳及富鈮的沉淀相，在軋制過程中,硫化物及鈮的沉淀相沿著軋制方向呈條帶層分布，大量夾雜物及沉淀相存在于鋼中，嚴重破壞了基體金屬的連續性。

3 結論及建議

(1) R60702/TA1/Q345R復合板缺陷為Q345R鋼中非金屬夾雜物硫化錳和富鈮沉淀相條帶，及由非金屬夾雜物硫化錳和富鈮沉淀相引起的裂紋。

(2) 建議合理控制Q345R鋼的冶煉工藝，以減少鋼中硫化物及大顆粒沉淀相的析出。