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贮气罐产品焊接试板冷弯试样断裂原因分析
杨书申1，彭竹琴2
(1.郑州纺织工学院基础部；2.郑州纺织工学院机械系，河南郑州450007)
摘
要：针对某批贮气罐产品焊接试板冷弯试样断裂问题，对断裂试样进行了化学成分分析、宏观断口分析、扫描电镜分析及金相组织分析。结果表明，试样冷弯断裂主要是由于焊缝热影响区的氢致白点造成的，并提出了严格遵守操作规程，焊前彻底清除工件上的氧化膜或铁锈，严格按规定烘干焊条，加强对焊接区的保护等预防白点产生的有效措施。
关键词：焊接试板；冷弯；断裂；白点
压力容器已广泛应用于各工业部门及日常生活中，而焊接是现代工业制造压力容器的主要生产方法之一，为确保压力容器产品质量，根据《钢制压力容器》(GB150-1998)标准规定，压力容器必须制备产品焊接试板，通过产品焊接接头性能试验检验容器焊接接头的性能。根据焊接接头试样机械性能(拉伸、弯曲、冲击)试验结果，判断焊接接头的性能是否达到设计要求。某厂在生产一批贮气罐时，发现产品焊接试板冷弯试样未弯到规定角度已断裂为两半。本文针对发生断裂的冷弯试样进行了分析研究，以便寻找断裂原因，提出解决措施，预防此类问题的再次发生。
1
试验
1.1
材料及工艺
该批试板母材为Q235B，厚度为10mm，采用手工电弧双面多层多道焊，焊条为E4303，使用BX3-500交流焊机，焊接接头形状及尺寸如图1所示，焊接工艺参数见表1。
图1
焊接接头形状及尺寸示意图
图2
试样宏观断口
3×
1.2
试验情况
从断裂试样上取样，对母材的化学成分进行分析，对断口进行宏观分析和扫描电镜分析。在备用试板焊接接头区取样，并制备成金相试样，进行金相组织分析。金相试样用4%HNO3酒精溶液腐蚀，在MM6金相显微镜上观察，扫描电镜分析在STEROSCAN250MK3型扫描电子显微镜上进行。
2
试验结果
2.1
化学成分分析
对母材的化学成分进行分析，其结果如表2所示，母材的化学成分符合Q235B材质要求，说明断裂与母材材质无关。
2.2
宏观断口分析
图2为冷弯断裂试样宏观断口，肉眼观察发现靠近拉伸面边缘下部区域内有许多呈带状分布的圆形或椭圆形斑点，其大小由几毫米到十几毫米，波动范围较大，其颜色比基体稍浅，呈银灰色或银白色。在断口侧面宏观金相照片(图3)上，可见靠近断口处的焊缝熔合线附近的热影响区内有一些微裂纹。根据上述现象初步断定断口边缘的热影响区内有一层白点聚集区。
另外，在拉伸试样断口上也观察到类似的银白色斑点，但在冲击试样断口上未发现有这种现象。
图3
断口侧面宏观金相
12×
1：1盐酸溶液侵蚀
图4
白点的微观形态
500×
2.3
扫描电镜分析
为进一步确认试样断口上的银白色斑点，对断口进行了扫描电镜分析，发现断口上银白色斑点的微观形态为浮云状或波纹状，如图4所示，而浮云状或波纹状正是白点典型的微观形态[2]。证实了断口上的银白色斑点即为白点。说明焊接热影响区存在白点聚集区。
2.4
金相组织分析
在备用试板焊接接头区取样，并制备其剖面金相试样，对焊缝各层组织进行分析，1层、2层和3层(参见图1)均为晶粒细小的铁素体和珠光体组织，3层晶粒虽然细小，但较1层、2层已增大。从3层与4层交界处开始直至盖面层晶粒已明显增大，且沿散热方向生长为粗大的柱状晶，并伴有魏氏组织出现。以上分析的焊缝区组织是低碳钢焊接件的正常组织。说明冷弯试样断裂与焊缝组织无关，即焊接工艺参数选择正确。
3
分析与讨论
从以上分析可以看出焊接热影响区白点聚集是冷弯试样断裂的主要原因。白点主要是由于高温下焊缝中溶解的氢在冷却时未来得及逸出引起的。氢的溶解度不仅与温度有关，而且与点阵类型有关。氢在奥氏体(f.c.c)中的溶解度大大高于在铁素体(b.c.c)中的溶解度，在液态金属中氢有最高的溶解度，以后随着冷却和同素异形的转变，氢的溶解度呈跃变形式下降。
在焊接过程中，当为氢所饱和的熔融的焊缝金属结晶凝固后快速冷却时，氢来不及扩散逸出，将处于过饱和状态，使氢在焊缝金属中富化，而母材金属中原始氢含量不高，这样在焊缝—母材界面上，由于存在浓度梯度而发生氢的扩散，即氢由焊缝金属向近缝金属区即热影响区扩散。应力的存在，也是促使氢能扩散运动的推动力之一，并且总是向拉应力大的方向扩散，即所谓“应力诱导扩散”[5]。正因为如此，冷弯断裂试样宏观断口上，可见白点产生于断口靠近受拉面边缘邻近区域(见图2)。同时，由于焊接过程中，母材中非金属夹杂容易在热影响区聚集，这些非金属夹杂缺陷处都是应力集中源，每一应力集中源的前沿都有一个三向应力区，在应力梯度作用下，氢向这些应力集中源即缺陷处扩散聚集。此外焊接过程中，由于不均匀温度场的存在，焊接接头中总是存在着不均匀的应力场，因此，氢总是倾向于向焊缝边界(热影响区)这样的应力集中区扩散聚集。在焊接过程中，由于浓度扩散和应力诱导扩散，致使焊缝金属富化的氢向热影响区扩散、聚集而形成白点。
在产品焊接试板机械性能试验中，除在冷弯断裂试样断口上发现有白点外，在拉伸试样断口上也观察到白点，但在冲击试样断口上未发现有白点。这些试验结果正好与文献[5]中的观点相吻合。文献指出：低碳钢焊缝金属在静载拉伸试验或冷弯试验时，在试样上有时可以看到“白点”这种氢脆现象，在冲击载荷下看不到“白点”。这是因为白点形成取决于内因和外因两个条件。白点形成的内因是氢的存在及其扩散运动，白点形成的外因是必须在较小的变形速度下产生。所以在冲击试样断口上观察不到白点。实验证明，白点产生于塑性形变阶段，在外力作用下产生一定的塑性形变时，将促使氢扩散并可聚集于小气孔或小夹杂物等缺陷处。在这样的“陷阱”中，原子氢结合为分子氢，因而局部形成高压力，从而引起金属的脆化。白点破坏了钢材内部的连续性，大大降低了焊接接头的塑性和韧性，因此白点是冷弯试样发生断裂的主要原因；同时由于热影响区组织晶粒粗大，降低了焊接接头的塑性和韧性，也是导致冷弯试样发生断裂的原因之一。在焊接过程中，进入焊缝金属中的氢主要来自下列各种形态的水分：(1)空气中的水分；(2)焊条药皮中的结晶水和化合水；(3)工件表面存在的铁锈或氧化膜中的结晶水和化合水；(4)工件及焊条药皮中吸附的水分。这些水分主要以水蒸汽形式进入焊接区，并且在电弧的高温作用下，分解成氢和氧，溶于焊缝金属中，从而使氢在焊缝金属中富化。
根据以上分析，为避免焊缝金属产生白点而导致焊接试样冷弯断裂，在焊接过程中必须严格遵守操作规程，焊前必须彻底清除工件上的氧化膜或铁锈，严格按规定烘干焊条，加强对焊接区的保护，以免焊缝金属中进入过量的氢而导致白点产生。
4
结语
根据以上分析，可以得出以下结论：
(1)在焊接过程中，当为氢所饱和的熔融的焊缝金属凝固后快速冷却时，由于氢来不及扩散逸出而处于过饱和状态，使焊缝金属富化。在浓度扩散和应力诱导扩散机制推动下，焊缝金属中的氢向近缝金属区即热影响区扩散、聚集而形成白点。白点可大大降低焊接接头的塑性和韧性，是冷弯试样断裂的主要原因。
(2)白点形成取决于内因和外因两个条件。白点形成的内因是氢的存在及其扩散运动，白点形成的外因是必须在较小的变形速度下产生，二者缺一不可。
(3)在焊接过程中，必须严格控制母材、焊材及周围环境的水分，以免焊缝金属中进入过量的氢而导致白点产生。
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