高频焊缝组织及缺陷分析

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1、高频焊缝组织及缺陷分析 本文结合生产实际论述了 ERW 焊接时输入热量、挤压力、焊接速度对熔合线宽度热影响区 宽度、流线上升角的影响，对焊缝缺陷脆性断口、灰斑、夹杂物提出了见解，另外介绍了母 材缺陷分层、夹杂物、带状组织对 ERW 焊缝的危害性。ERW 焊管具有成本低、生产效率高等优点，已成为石油、天然气以及煤炭输送主要选 用管，随着ERW焊管质量的提高有许多国家已用于套管和钻管方面。为确保ERW焊管的 质量，各国都利用本国资源泉，从冶金质量和所轧制工艺提高焊管钢钟等级，采用各种焊接 方式来保证焊缝质量，以满足钢管在高压防腐等方面的需求。由于高频焊接时热量集中，焊 缝很窄，再加上没有填充金属，

2、要使接头的强度和韧性高于母材，达到设计要求，所以改麻 改善高频焊接接头这个薄弱环节，提高强度和韧性是研究的中心。1 高频焊缝金相组织高频焊缝的宏观组织是由腰鼓形、熔合线和金属流线组成。11 腰鼓形腰鼓形实际上是高频焊缝的热影响区。它可以判定焊接规范的大小、要腰鼓形的宽窄 焊接时输入热量大小有关，一般认变输入热量大小有关，一般认为输入热量愈大，腰鼓形愈 窄，输入量愈小，腰鼓形愈窄，当输入热量一定时焊接速度愈慢，腰鼓形变窄，速度愈快， 腰鼓愈窄。图 1 是理想的腰鼓形。合理的腰鼓形为带钢厚度中心部分的热影响区宽度是板 厚的四分之一到三分之一，它是用来控制输入量大小的判据。图2 是较宽的腰鼓形。12

3、 亮线 亮线也称熔合线焊合线，它是焊接时被加热到高温时脱碳，表面的炭被烧损或者是富 炭的液相被挤出。熔合线的宽窄是烛接时输入热量大小和成型挤压量的大小重要指标，是影响焊管质量的重要因素。熔合线的宽窄世界各国没有统一的标准，一般为内近控标准，例如新日铁规定0.02-0.2mm,川崎要求小于0.1mm,原联邦德国规定0.02-0.12mm。我国资料介 绍在0.02-0.11mm。有人认为熔合线小于0.02mm时是输入量不足或挤压量太大而产生，见 图 3,当热量不足时,蚕食状铁素体一般细小,熔合线模糊不清晰。挤压力过大时,流线上 升角度大，当熔合线宽度大于0.12mm时，如图4所示，说明输入热量大或

4、者焊接速度慢， 脱炭愈严重，使焊缝强度下降，这时的片状铁素体和片状珠光体及魏氏组织较粗大。BB4盘將台线1MX熔合线和腰鼓形宽窄都是反映输入热量大小的重要参数。熔合线与焊接速度有一定关 系，当焊接速度一定时输入热量愈大，熔合线愈宽，脱碳愈严重。输入热量一定时，焊接速 度愈慢熔合线宽。当焊接速度和输入热量一定时，挤压量愈大，熔合线愈窄，挤压量愈小， 熔合线愈宽，。控制熔合线的宽窄，一般测定壁厚中间部分的熔合线作为依据，用熔合线宽 度控制焊接规范要比腰鼓形控制更接近实际。对于熔合线的测定用过饱合味酸热腐蚀会得到 清晰完整的熔合线和流线。13 热影响区的流线上升角流线是钢锭在热加工过程中的第二相，粗

5、大的树枝晶和各类夹杂物沿变形方向伸长， 形成带状、线状或层状沿轧制方向呈细线，也称纤维织织。流线与带状组织不同， 带状组织是轧制后或轧制过程中奥氏体冷却时由Ar3-Arl沿轧制方向形成的铁素体 和珠光体带，它们形核和形成是沿流线形成，带状组织国家有评级标准。流线和带 状组织的不均匀性都会使材料产生各各异性，前者代表了材料的纯洁性、偏析及变 形程度，后者代表了材料的纯洁性、偏析及变形程度，后者代表偏析程度，轧制方 向和冷却方式。高频焊接时由于邻近效应和集肤效应使带钢边缘处于熔化和半熔化状态，在挤 压辊的压力作用下，焊缝金属向内外方向流动，使焊缝两侧母材流线上升成一个夹 角，见图 5，人们一般用流

6、线上升角来评价成型时金属焊接过程中热变形挤压力的 大小，反映出板边金属加热量高温度与顶锻压力的综合指标。流线角度越大证明挤 压力愈大，过大的挤压力会将亮线全部挤出，使板边不能焊合。挤压力愈小流钱角 愈小。因此用流线上升角和熔合线宽度来控制高频焊缝烛接规范是合理的。在测定 流线上升角时，用过饱合苦味酸热腐蚀，无论是焊接状态或经热处理状态（正火或 退火）的焊缝都会腐蚀清晰。流线上升角要测定熔合线两侧上下、左右四个位置。 并从壁厚四分之一处的上升角测量。对流线上升角各国没有统一标准，只有内控制 标准。例如新日铁40-70度、原联邦德国内壁60 度、外壁65 度，我国资料介绍在 45-60度。流线上升

7、角随着挤压量大小而发生变化，因此认为挤压量为1-1.5mm时 流线上升角在45-60度左右。图6是挤压量与流线上升角之间的关系，当挤压量小 于 1mm 时，流线角更小，流线角越小，焊拉接越不稳定，容易产生焊接缺陷。金饶魏上升箱ial-iTQ 3T5fl 40. ex Z. 4 O J3J. 6X7,7hI14 高频焊缝的显微组织高频焊接的焊后显微织织如图 7 焊缝中心由大量蚕食状铁素体和少量珠光体组成，找热影响区由蚕食状铁素体+粗片状珠光体+少量魏氏组织组成。ffl?炸联和弟母响帆高频焊缝焊后经热处理（正火或退火）后的显微组织见图8，焊缝中心的铁素体量有然 较多，而热影响区粗大组织完全消除，和

8、母材组织完全相同，形成等轴铁素体+珠光体，一 般经过热处理的区域较宽，从热影响区到母材这段经热处理的组织比母材晶粒更细。2 ERW 缺陷分析 高频焊缝缺陷常见有未熔合、焊缝夹杂物、灰斑及母材缺陷等，都会不同程度的影响 ERW 管质量。21 未熔合 未熔合实际上是焊接时有一部分没有焊接在一起，它是焊缝中心不允许存在的缺陷， 在生产现场的压扁、水压、金相试验时就能发现，一般有两种现象：一是为未熔合产生在内 侧或外侧，当内外毛刺被刮掉后外侧容易发现，内侧较困难，图 9 是某管线试压时的爆破源 泉，未熔合产生在内侧，断口光滑齐平，呈灰色，未熔合占焊缝面积比例较大。将图9 横断 面镶样金相观察，开裂源未

9、熔合处流线上升角度为80-90 度，而外侧韧性断口流线上升朋El点坪台1 0. U角为 20-30度，并有“双峰”产生。见图11显微组织较细，说明焊接时内侧可能是挤压力 过大，而外侧电流强度小使温度偏低。二是未熔合产生在焊缝的中部见图 10，中部没有焊合线，有种缺陷探伤也不一不定能 够发现，中部显微织织未熔合是灰色的氧化物，两侧的铁素体+珠光体组强较细见图 11，经 电镜能谱仪分析，灰色的成分Fe、Mn、Si为主。ffl H 中部稅奄黑喘矢* Xli未外备中刖知施邑组谀 柚番H的堀F中P OCX出现未熔合与成型时板边平行度有关，正常的板边应该是平行焊接过程中沿壁厚方向 中加热和挤压均匀、流线分

10、布对称，流线在壁厚中心线应该是相等的，氧化物易于排出，焊 接质量良好。不正常时板边会出现正V型和倒V形，板边不平行，加热时不均匀，板边不 能同时接触，正 V 形断面呈突起峰形（桃形）内边缘要比外边缘先接触，内边缘的邻近效 应要经外边缘强，里边角的电流密度最大，温度也高于外边缘，先接触的内壁流线上升角大 说明挤压力大，外壁流线上升角小，挤压力小，使熔融金属向内侧一个方向全部挤出，内侧 毛刺粗大，容易产生局部未熔合，影响氧化物的排出，未熔产生在内壁，将熔融金属全部挤 出，没有熔合线，如果桃形嘴形成特别严重时，外壁没有流线上升角，内壁流线上升角特别 严重，外壁没有流线上升角，内壁流线上升角特别严重，

11、外壁会造成“冷焊”现象，必须加 热更多金属才能使外边缘达到焊接温度。板边呈倒 V 形时，外边缘比内边缘先接触，外边 缘邻近效应强，外边缘比内边缘先接触，外边缘邻近效应强，电流密度大，温度高，外毛刺 比内毛刺大，外边缘的流线上升角大于内边缘，证明挤压力大，需要更多的熔融金属使内边 缘达到焊接温度，同时对特定的焊接速度就需要消耗更多的电能。总之未熔合与板边不平行有关，应该有一个控制标准。韩国浦项工厂内控标准规定了 流线与壁厚中心线间的距离e,当e接近零时，焊缝质量良好，e愈大质量越见图12,和为 带钢厚度。22 焊缝夹杂物ERW焊缝夹杂物是影响强度和韧性重要因素，是断裂时的裂纹源，断裂过程与夹杂物

12、 的大小、数量、形态和分布有关，一般以条状或片状沿熔合线产生，也有母材夹杂物的存在。ERW 焊缝氧化物大量产生后会形成未熔合。产生少量的则以片状和链状存在，断口 分布为灰斑。例如：某管线爆破口为未熔合，在不同距离取样，取样位置见图 13， 1”试样 在爆破口取样，组织见图9， 2”试样在裂缝尖端，组织见图10， 3”试样距离裂纹尖端 1 米取 样组织见图14,氧化物为链状分布在熔合线上，说明细片状氧化物与未熔合是一个形成机理 仅是氧化物严重程度不同，铁素体+珠光体组织较细，温度也偏低。氧化物经能谱分析以 Fe、 Si、Mn 为主。Jk图佛爆磁抵临样拉監ffi H未烷佥中餉每就氧陀物40AX在高

13、频螺旋搭边焊缝中同样有氧化物存在见图15,以片状出现，组织硬度 H U：铁素体100-104、珠光体150-190、氧化物230-250，经能谱仪分析为Si、Fe、Mn。氧化物的形成日本佐腾先生认为：“形成时是一种爆发现象，爆发时接合面是正压，接 合氧化被防止，所以此时瞬间负压随着产生，把空气吸收拥挤，这时候接合面上的熔融层表 层瞬时氧化，断口缺陷形成粒子集合，这时氧化是明显的”。从现场观察发现，这种爆发与 管坯开口边缘锈蚀、板边毛刺、板边凹凸等现象有关，使电极与管壁接触不良产生的打火 就像在推拉闸刀开关时由于接触不良经常发生的打火现象，而后在闸刀的铜片上产生过烧麻 点。由于高频焊接是在熔融状

14、态下进行，周围的冷却介质水和空气瞬间进入焊缝，造成氧化 是不可壁免的。总之，高频焊缝的氧化物是且织中常见的缺陷，在断口上比例对强度和韧性的影响是 值得研究的问题，对于它的形成机理需要更进一步研究。为了防止氧化，目前国外在焊角处 采用喷酒精等方法，可以减少和防止。23 焊缝中的脆性断口在拉伸、压扁和冷弯试验时，导致不合格的原因在断口上往往出现未熔合、灰斑和 脆性断口，前两者已经作了基本论述。图 16 是拉伸断品上有 30%的结晶状，发亮而平整地分布， 有时断口全部都是脆性，经电 镜分析断口为河流状花样，光谱分析，脆性是沿熔合线开裂，熔合线及热影响区组织极细小， 腰鼓形曲线平直，流线上升角基本正常

15、，估计是焊接温度低形成的“冷焊”现象。另外，灰斑有时也出现在脆性断口上，见图17,裂纹源起始于灰斑，说明灰斑的强度低 于河流状花样，灰斑不仅产生在高温、焊接韧性影响较大。E17旎悝断口上的蕊斑25X就是说，在相同倍数下，脆性断口两侧组织和正常焊接温度组织相比，前者较后者组 织细小，前者焊接时温度低于后者，所以在灰斑除了在高温时产生，在焊接温度较低时也出 现。24 母材分层 分层是钢液中以硫化物、硅酸盐为主的夹杂物沿轧制方向聚集，容易在热应力集中作 用下形成裂纹，电弧焊缝中形成层状撕裂，高频焊接时，裂纹经常起始于热影响区，有时也 起始于熔合线，然后伸向母材，在母材裂纹尖端有大量硫化物存在，图18

16、 是母材分层在熔 合线上引起的开裂，延伸向母材。热影响区裂纹是母材分层中有低熔点夹杂物，焊接时在高温下形成液态薄膜，合晶界 弱化，在焊接应力和成型应力作用下，液态薄膜被拉开。沿晶界形成裂纹，当内外毛刺清除 后裂纹外露更显显，因为在高频直缝焊成型过程中，板厚二分之一外壁受拉应力，内壁二分 之一受压应力，使管体的带钢形成弯曲应力状态，分层在这种应力下产生层间错动，图 19 是热影响区裂纹。3 结论（1）高频焊缝组织流线上升角，腰鼓形、熔合线宽度是反映焊接时挤压力，输入热量 和焊接速度的综合指标，只有严格的控制才能保证钢管的质量。（2）高频焊缝中的缺陷未熔合呼脆性断口是不允许存在的。（3）母材缺陷分层和带状组织中的夹杂物，