普碳钢直缝焊管焊缝金相组织分析

庚英桂

(山西临汾钢铁公司科技处，041000)

摘  要：在Q235B钢高频焊管压扁试验中，对合格与不合格试样的焊缝、母材金相组织进行分析比较，并对焊缝区金相组织的形成原因及其与焊接工艺的关系进行了分析。

关键词：普碳钢，焊管，金相组织，焊缝，质量

高频直缝电焊钢管焊缝的金相组织形貌，反映了钢管的焊接工艺性能和焊缝质量。通过Q235B钢管生产的焊管压扁试验，对合格与不合格试样的金相组织进行观察和比较，并从金属学、热力学角度进行分析，找出其与焊接工艺的关系和对焊缝压扁性能的影响，从而改进生产工艺，提高焊缝质量。

1  母材与焊缝的金相组织

焊管经压扁试验后，分别在合格与不合格的焊管上截取焊缝金相试样各5个(合格样编号为A1～A5，不合格样编号为B1～B5)进行金相组织观察。

1.1 焊管母材的金相组织

合格样和不合格样焊管的母材组织均为铁素体和珠光体组织，未见非金属夹杂物。

1.2 焊缝的金相组织

合格样A1～A5与不合格样B1～B5焊缝金相组织见图1。从中可看出，合格样较不合格样焊缝熔合区宽，组织细且焊缝到母材组织随温度变化区域明显。

1.3 焊缝中的非金属夹杂物

对合格样和不合格样焊缝中非金属夹杂物经明场、暗场、偏光观察分析，合格样焊缝未见非金属夹杂物;而不合格样焊缝发现有氧化物、硫化物和硅酸盐夹杂物存在。

2  焊缝金相组织形成原因分析

高频直缝电焊接生产主要是利用高频电流具有的集肤效应和邻近效应两个特性，使电流高度集中于管边焊合面上，使管边很快加热到焊接温度，在压辊挤压下完成焊接。在焊接过程中，金属经历了从液相到固相的结晶转变(凝固转变)，在其后冷却至较低温度下又经历了重结晶转变(固态下相变)，即C→A转变。

临钢生产的Q235B高频电焊管为低碳钢，焊接时主要形成由熔化材质转变为结晶组织的熔合区，和从熔合线到不发生组织变化的母材之间的热影响区。熔合区和热影区在焊接加热和连续冷却过程中发生的组织转变，是由连续的梯度组织形成的。由于焊接温度为1350～1500℃，被加热金属是在包晶范围内进行焊接的，当冷凝至1493℃发生包晶反应形成奥氏体，在连续冷却至GS线以下便会发生奥氏体向铁素体转变，冷却至稍低于723℃发生共析反应，剩余奥氏体转变为珠光体，在熔合区最终形成铁素体和珠光体组织。在热影响区中，受焊接热的作用，发生了与母材原始组织和性能不同的变化，形成一系列不平衡组织，在焊接热循环峰值低于Ac1温度区域，其金相组织仍然是原始母材组织的铁素体和珠光体，当加热至Ac1以上时，组织将发生明显变化。Q235B钢在750℃左右发生组织变化，珠光体首先奥氏体化形成细小奥氏体，在铁素体尚未发生奥氏体转变时，由于焊接加热速度快，很快即冷却下来，由珠光体转变成的奥氏体在随后的冷却过程中重结晶变为细小的铁素体和珠光体。该区组织由细小的铁素体和珠光体的重结晶组织及未发生相变的粗大铁素体组织组成。比这个区域峰值温度更高的区域其加热温度在Ac3到钢材晶粒开始粗化温度之间，Q235B在900～1100℃时，珠光体和铁素体全部奥氏体化，但晶粒未急剧长大，在连续冷却时得到细小均匀的铁素体和珠光体组织。加热温度在1100℃以上时，奥氏体晶粒显著粗大，在靠近熔合区处，晶粒最粗大，冷却后生成粗大铁素体和珠光体组织，由图1可见这一系列的组织变化。

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图1  焊缝组织  a)合格样焊缝组织；b)不合格样焊缝组织

3　合格样与不合格样焊缝组织比较及其与生产工艺关系的分析

观察合格样与不合格样焊管母材组织，两者无明显差异，因而可排除材质因素的影响。高频焊接时，焊接速度的快慢、温度的高低、挤压力的大小是影响焊缝质量的重要因素，不同的焊缝组织形貌反映不同的焊接工艺，从图1a与b的对比可知，不合格样焊缝熔合区明显比合格样窄。经测量，合格样的熔合线宽为0.15～0.20mm，占整个焊缝区宽度的7%～10%，而不合格试样的这两个数值分别为0.06～0.08mm和3%～4%。

在焊接过程中，要得到最佳焊接质量，必须使带钢边缘上有足够的金属变为液态。如果焊接速度过快，会导致焊接部分母材金属熔化不完全，使焊缝区组织形成不佳，熔合线过窄，影响焊接质量，导致压扁不合格。焊接过程中，挤压力的大小影响着焊缝的强度和韧性，由图1可见，不合格样焊缝金属流线上升角陡直，这是由于挤压力过大所致。挤压力过大时，被加热成固溶化或熔化状态的金属全部或大部被挤出，因而导致焊缝强度降低，同时使溶化状态的金属形成的共同金属晶粒再结晶遭破坏，导致焊缝受力时开裂。由图1还可看出，不合格样热影响区组织较粗大，这是由于焊接时温度过高，奥氏体晶粒粗大，在连续冷却过程中形成粗晶组织，这种粗晶组织可使焊接热影响区韧性降低，影响焊缝质量。

4　焊缝中非金属夹杂物分析

不合格样中可观察到氧化物，硫化物，硅酸盐非金属夹杂物，这些夹杂物是材质中的S、Mn、Si、P等元素与铁伴生的化合物，它们是因焊接输入热量的增加，使焊接熔化时因空气氧化的MnO和SiO2生成量增加引起的，这些夹杂物在合适的加热温度和挤压力下也很难全部挤出，部分被挤到毛刺中去，部分滞留在焊缝中。焊缝中夹杂物的存在，不仅降低了焊缝金属的力学性能，更重要的是造成焊接热裂纹的出现。夹杂物比钢材本身的熔点低得多，在进入焊热区尤其是进入受焊接热循环作用温度较高的近缝区时，首先被熔化，在焊接加热后的连续冷却过程中，金属首先凝固结晶，低熔点的夹杂物形成晶间液膜，被凝固晶粒所包围，晶粒在凝固过程中会出现结晶应力，此应力难以被液相所承受，使得晶界出现细微分离现象，低熔液相在晶界间润湿，减弱晶间结合力，晶间强度降低，焊缝在受力时易开裂。

5　不合格样焊缝中魏氏组织分析

由图1可看出，不合格样焊缝熔合区和热影响区组织粗大，其熔合区组织粗大不均匀并有分布特殊而呈片状的铁素体，这是典型的魏氏组织铁素体，见图2。

图2　魏氏组织铁素体

在焊接过程中，由于管材成分一定，魏氏组织的形成取决于奥氏体晶粒的大小和冷却速度，由于焊接温度超过钢的熔化温度，形成粗大奥氏体组织后较快地连续冷却，铁素体以切变形式快速在奥氏体晶界长大，形成大针片状铁素体。当冷却速度加快到某种程度，相变机制发生变化，在奥氏体晶界甚至晶内产生了与原奥氏体具有一定位向的铁素体，奥氏体晶粒越粗大。在晶界上形成的针片状铁素体越多越粗大，焊接过程中，因温度过高而形成粗晶奥氏体及快速冷却是不合格样中出现魏氏组织的原因。

魏氏组织的出现使钢的力学性能下降，尤其是韧性下降，成为焊接接头最薄弱的地区，容易发生裂缝和破坏。

6　结论

(1) 受焊接热循环作用，高频直缝管焊缝金相组织是由不平衡的连续梯度组织构成的，不同焊接热循环的峰值温度形成了不同的组织区域。

(2) 焊接时速度过快、挤压力过大导致不合格样焊缝组织熔合区过窄，金属流线上升角陡直，而影响焊缝质量。因此应适当控制焊接速度，减小压力，使焊接处熔合完全，以提高焊缝质量。

(3) 焊缝中较多非金属夹杂物的存在，削弱了金属的连续性，使焊缝强度降低，压扁不合格。焊接时焊接温度和挤压力不宜过高，尽量减少夹杂物含量，提高焊缝强度。

(4) 焊缝中魏氏组织及伴生的粗晶组织，使焊缝力学性能下降，特别是使塑性和韧性显著下降，焊接时在冷却条件相同时，加热温度不宜过高，冷却速度不宜过快，尽量减少焊缝中的魏氏组织。