355 MPa低合金鋼板焊接裂紋的成因分析

王治中，孫 乾，程欣麗，員強鵬，孟 倩，陳 萌

（1 南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035；2 山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司，山東 濟南 271104；3 萊鋼集團藍天商旅車業有限公司，山東 濟南 71104）

1 前 言

鋼結構工程在現代工業及建筑行業中得到廣泛應用。焊接工藝是鋼結構連接的主要形式，焊接質量直接決定了鋼結構性能穩定性及安全性［1-2］。低合金鋼因其具有較好的力學性能，同時具備易成型、易焊接等工藝特性，被廣泛應用于橋梁建設、塔架搭建、輸送管道等各類鋼結構領域［3］。本文針對20 mm薄規格355 MPa低合金鋼板進行鋼結構焊接過程中出現的焊接裂紋問題，采用光譜分析儀、金相顯微鏡、掃描電鏡、布氏硬度計等檢驗工具，對試樣焊接問題處的化學成分、金相組織、布氏硬度、力學性能等進行多角度檢驗觀察，分析焊后裂紋缺陷的生產原因，為生產提供技術參考。

2 生產工藝流程與質量要求

檢驗材料為20 mm 薄規格355 MPa 低合金鋼板，屬于低碳、高錳成分體系的低合金鋼，執行GB/T1591—2008《低合金高強度結構鋼》標準要求。其生產工藝流程為：鐵水預處理→頂底復吹轉爐冶煉→LF 精煉→RH 精煉→板坯連鑄→二次加熱→除鱗→粗軋→精軋→控冷→熱矯直（鋼板標識）→冷床（緩冷）→剪切（火切）→探傷-調質→標識→堆垛入庫。

采用德國斯派克SPECTROLAB 直讀光譜儀對鋼板母材及焊縫處進行化學成分檢驗，結果如表1所示。從表1可知，母材、焊縫的化學成分均滿足標準要求。

表1 化學成分（質量分數） %

為明確母材性能與裂紋產生的關聯性，在裂紋鋼板母材鋼板靠近頭部、尾部、中間部位取橫向拉伸樣及縱向沖擊試樣各3 塊，按照GB/T 228.1—2021《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》及GB/T 229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，應用UTM-2460100kN 龍門型雙空間萬能拉伸試驗機與JB—W300B/JB—500B微機控制擺錘式沖擊試驗機對其進行力學性能檢驗，結果統計見表2，由表2 可得，母材力學性能均符合GB/T 1591—2008標準的要求。

3 檢驗分析

為明確鋼板焊接裂紋產生原因，對其進行布氏硬度檢驗、夾雜物分析與金相觀察，進行綜合分析。

3.1 布氏硬度檢驗

鋼板焊接為金屬熔融再結晶的過程，為檢驗鋼板母材及焊縫處性能差異，在母材、焊縫及焊縫附近（熱影響區）各取45 mm×90 mm 試樣一塊，經修磨清理，按照GB/T 231.1—2018《金屬材料布氏硬度試驗第1 部分：試驗方法》，使用HVB-3000Z 自動轉塔直讀數顯布氏硬度計進行布氏硬度檢驗，為避免數據波動，保證實驗準確度，依次檢測12數據點，結果見于圖1（HBW）。由圖1可知，因焊接熱應力較大，焊縫處硬度值最高，且波動范圍較大，硬度范圍204～227 HBW，焊縫周邊焊接冷速時速度仍然較快，屬于焊接熱影響區，硬度值也明顯高于母材，但低于焊縫，硬度在182～202HBW；母材位置組織相對均勻，基本未收到焊接熱影響，硬度即為材料鋼板本身材料硬度，因此硬度最小，但硬度值最小且波動范圍小，集中在155～163 HBW。綜上所述，鋼板母材組織形態及分布相對均勻，內應力波動小，焊縫及熱影響區各處受冷卻速度影響，不同位置組織應力各異，組織及晶粒度差異較大，誘發硬度值較高且波動大，實際母材及焊縫（熱影響區）分析，仍需結合夾雜物及金相組織觀察。

圖1 硬度分布

3.2 夾雜物分析

鋼板內脆性夾雜物含量、尺寸、分布對母材性能影響極大，為檢驗鋼板夾雜物含量及分布情況，在鋼板母材及焊縫裂紋處各取規格為15 mm×25 mm金相樣，經18～80 μm砂紙打磨橫截面（垂直于鋼板軋制方向），再用2.5 μm 金剛石拋光劑對其拋光表面，清洗烘干后，采用Axio Vert A1倒置式金相顯微鏡對試樣進行夾雜物掃描觀察，結果如圖2所示。圖2 中，左圖為鋼板母材，經對試樣自上而下通體進行掃描觀察，僅在母材樣發現一條長約55 μm的處C類硅酸鹽夾雜物，結合生產工藝，該鋼經LF 精煉，夾雜物含量較低，總量可控制在1.5 級以下，由此可見，母材純凈度較高；右圖為鋼板裂紋焊縫樣，距離焊縫起裂處0.6 mm 處發現寬度約50～75 μm 的簇狀夾雜物聚集帶，嚴重割裂基體連續性，焊縫處組織應力極大，硬度值高且波動大，塑韌性本就遠低于母材，4長條狀存在，更加大了脆性斷裂風險，極可能誘發焊接裂紋。

圖2 夾雜物分布

3.3 金相組織觀察

使用4%硝酸酒精溶液對母材及焊縫兩試樣進行晶界腐蝕，進行金相組織觀察，并依據GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》標準，分別進行晶粒度評定，檢驗結果如表3，金相組織見圖3、圖4。

圖3 母材金相組織

圖4 焊縫熱影響區金相組織

表3 組織與晶粒度

由表3可得，鋼板母材與焊縫組織及晶粒度差異巨大，母材以珠光體、鐵素體為主，含少量貝氏體，晶粒度9.5 級，結合圖3，珠光體分布均勻，呈典型片層狀，無異常組織，滿足標準要求；焊縫以魏氏組織、粗大針狀鐵素體為主，晶粒較粗，晶粒度僅為6.0 級，結合圖4，魏氏組織集中在焊縫條帶及熱影響區上，魏氏組織的產生主要是因為焊接時短時間內大量熱輸入，導致奧氏體晶粒異常粗大，同時冷卻速度較快，形成了該類過熱組織，魏氏組織特征為某些異常粗大的奧氏體晶粒內快速析出多道條針狀鐵素體，存在鐵素體針片之間的殘余奧氏體，經冷卻最后轉變為珠光體，該組織性能極不穩定，組織片層末端尖細，極易形成應力集中點，破壞母材連續性，降低基體延展性［4］，并且由于晶粒粗、尺寸大，伴隨生出的先共析鐵素體性能極不穩定，是組織性能的脆弱面，誘發金屬的柔韌性急速下降，導致焊接接頭脆性轉變，外作負載時發生脆性斷裂［5］。

3.4 掃描電鏡及EDS能譜分析

采用日立SU5000場發射掃描電鏡深入觀察焊縫形貌及夾雜物條帶情況，并通過EDS 能譜模塊，對其異常組織進行成分分析，進一步對焊縫裂紋原因進行綜合分析。SEM 觀察下的簇狀夾雜物微觀形貌如圖5所示，EDS能譜如圖6所示。

圖5 焊縫熱影響區處SEM觀察下的簇狀夾雜物

圖6 SEM對應能譜圖

由圖5、圖6 可知，簇狀夾雜物單個呈現長條狀、橢球狀或者短棒狀，長度約2～20 μm 不等，形貌與金相顯微鏡下基本一致；隨機對某夾雜物及旁邊基體打EDS 能譜點，發現夾雜物元素包括O、C、Ca、Fe、Al、Si、Mn 等，以Si、Mn 氧化物為主，源自焊接時金屬熔池中夾雜物未能有效快速排出，導致聚集成帶，嚴重割裂基體連續性，形成大尺寸裂紋源。

裂紋樣（焊縫熱影響區）微觀形貌如圖7所示，EDS 能譜如圖8 所示。由圖7 可知，焊縫及其熱影響區組織稀松不致密，小尺寸散點狀、鏈條帶狀、孔洞狀夾雜極多，微觀形貌上類似連鑄坯心部縮孔；晶粒異常粗大，以魏氏組織和大尺寸針狀鐵素體為主，與金相組織結果一致。魏氏組織是一種形態特殊的先共析相異常組織，焊接過程中，當高溫熔融金屬在高溫停留時間區域越長，焊機傳遞給焊接接頭（焊縫）的熱輸入越大，原始奧氏體晶粒獲得更多的能量與時間轉化為粗大的魏氏組織，魏氏組織的異常長大，導致焊接接頭（焊縫）的塑韌性快速降低［4-6］。由圖8 可知，夾雜物元素包括O、C、Ca、S、Ti、Fe、Al、Si、Mn等，以Si、Mn、Al、Fe氧化物為主，與夾雜物分析結論一致。

圖7 裂紋樣（焊縫熱影響區）SEM顯微組織

圖8 裂紋樣（焊縫熱影響區）EDS能譜圖

4 原因分析

經檢驗，鋼板母材的成分、性能滿足標準，板材本身質量并非誘發焊接裂紋的原因。鋼板采用大功率對接平焊工藝，這是一種利用電弧熱高溫熔化焊接的兩塊鋼板邊部基體金屬，使其在高溫熔融狀態下融合，形成堅固連接的高效焊接方法。在焊接熔化過程中，需要添加焊材，用于填充鋼板縫隙，起到加固連接作用，因其焊接效率較高、操作簡便、可焊金屬范圍廣，在建筑、鐵路及冶金等工業領域應用廣泛。常見影響對接平焊工藝質量的因素主要有：（1）材料因素，包括焊接鋼板母材與焊接材料。當焊接條件一定時，材料因素本身的物化特性，包括熔點、密度、熱容量、熱導率線膨脹系數，以及母材與氧反應親和力的強弱等，對焊接過程中的熱傳遞、金屬熔化、再結晶、冷卻組織相變過程均產生決定性影響，從而影響焊接性。（2）焊接工藝及焊接參數的設定，即焊接方法的選擇、焊接參數（功率等輸出的確定）、裝焊順序、預熱、焊后熱處理等。（3）焊接結構或焊接接頭的形狀設計，如結構形狀、接頭坡口形式、截面形狀等影響焊接過程熱傳遞或作用力的因素。

焊接裂紋鋼板為兩塊同規格、同牌號的低合金鋼板，其化學成分及力學性能均滿足標準要求，焊接結構為常用的V 形坡口，因鋼板較薄，采用單面焊接工藝，該焊接工藝生產效率較高。結合失效鋼板焊縫處夾雜物、金相及掃描電鏡分析，焊縫處含有大量以Si、Mn 氧化物為主的大尺寸簇狀夾雜物群，嚴重破壞了母材組織連續性及致密性，導致焊縫處拉伸及彎曲等性能降低，迫使焊縫處變為焊接鋼板力學性能最薄弱的位置；結合硬度分析，焊縫以及周邊熱影響區硬度值遠遠高于母材，且波動范圍大，這是因為焊接功率過大，熔融金屬冶金反應過程過快，導致冷卻速度過快，誘發出晶粒度較母材粗大的大尺寸魏氏組織，導致焊縫的塑韌性及與母材協調變形能力均受影響，最終誘發焊接裂紋。在實際焊接生產中，通過適當降低焊接功率，合理進行熱輸入，降低鋼板母材焊接邊在熔融高溫區的停留時間，同時配合焊后緩冷措施，達到細化焊縫處組織晶粒的作用，可有效避免大尺寸魏氏組織的形成，進而降低焊接裂紋風險。

5 結 語

針對20 mm 規格355 MPa 強度級別低合金熱軋鋼板進行鋼結構焊接過程中出現的焊接裂紋問題，經化學成分、力學性能、布氏硬度、夾雜物形態及含量觀察、金相組織、掃描電鏡等檢驗，結果顯示鋼板以鐵素體+珠光體組織為主，存在少量貝氏體，組織細小均勻，晶粒度約9.5級，鋼板的成分、組織、性能等均滿足標準要求，焊接材料并非造成鋼板焊接裂紋的主要原因。

失效鋼板焊縫處形成了塑韌性極差的大尺寸魏氏組織，增加了焊縫脆性傾向，并且因焊接功率過大，導致熔池中Si、Mn 氧化物等大量夾雜未排凈，嚴重破壞了焊接處組織致密性，在魏氏組織區脆性傾向聯合作用下，形成了夾雜物裂紋源延展，誘發了焊接裂紋。實際生產中，優化對接平焊工藝，控好焊縫奧氏體晶粒尺寸，降低焊縫中心在焊接高溫區的停留時間，做好焊后緩冷，可有效降低焊接裂紋風險。