大壁厚Q345B 钢板弯曲开裂原因分析及对策

2021-04-29刘振伟鲍雪君马立新许海龙

焊管 2021年3期

刘振伟，鲍雪君，马立新，杨烽，许海龙

（1. 江阴兴澄特种钢铁有限公司，江苏江阴214400；2. 中国石油集团渤海石油装备制造有限公司，天津300457）

0 前言

Q345B 钢材由于具有良好的综合力学性能、焊接性能和低温冲击韧性，被广泛应用于大型机械、煤矿机械、高层建筑和石油化工等行业。为了提高板材的利用率、降低成本，对板材实施计算机优化下料，使板材利用率提高到95%左右，但是对下料后的钢板进行弯曲压制成型时，经常发现钢板弯曲部位出现裂纹或者断裂现象，造成批量构件报废，给制造厂家带来较大的经济损失[1]。火焰切割又称气割，是一种广泛应用于钢铁加工行业中的粗加工技术，运用此技术可以切割厚度为3～150 mm 以上的钢板。以往对火焰切割的研究多着重于火焰切割的切割质量[2-3]、切割工艺[4]以及对工件产生的热变形和热应力[5-7]上，针对大壁厚Q345B 钢板火焰切割工艺对折弯性能的影响研究较少。本研究借助扫描电镜、金相显微镜和维氏硬度仪等分析手段，结合生产实际中遇到的弯曲开裂问题，开展了Q345B钢板弯曲开裂原因分析和研究工作，从火焰切割工艺存在的实际问题出发，提出了工艺优化改进措施。

1 渣罐卷筒开裂失效分析

某公司制造渣罐用板厚80 mm 的Q345B 钢板，在卷筒折弯过程中发生开裂。渣罐加工流程如下：钢板下料切成扇形（采用火切方法开坡口） →折弯→对接焊→罐底焊接和附件焊接，主要工艺过程如图1 所示。

图1 渣罐制造主要工艺过程

卷筒后发现了长度约500 mm、平行于弯芯轴的贯穿裂纹，坡口加工采用的是火焰切割的方式，坡口为单V 形坡口，角度60°。

1.1 宏观分析

在开裂部位取样，如图2 所示，火切坡口面上能够清晰的观察到火切沟槽，这是气割的纹路，这些火切沟槽在卷筒产生的拉伸应力作用下，为裂纹启裂提供应力集中点。

图2 渣罐开裂处火切坡口形貌

沿着裂纹面剖开，以充分观察裂纹走向，进而判断裂纹源位置。图3 所示为开裂位置裂纹剖面形貌，从图3 可以看出，裂纹源在坡口外表面上，沿着坡口位置向纵深方向扩展。经受力分析发现，卷筒弯曲过程中，外表面承受最大拉伸应力，裂纹源位置与最大拉伸应力点对应，同时也与火切沟槽最深位置对应。

图3 开裂位置裂纹剖面形貌

1.2 化学分析

Q345B 渣罐母材成分见表1，从化学成分上看，该钢以Mn 强化为主，同时加入了微量的Ni、 Cr 和Mo，成分无异常。

表1 Q345B 钢渣罐母材化学成分 %

1.3 断口扫描分析

在扫描电镜下观察断口开裂形式及裂纹源形貌，如图4 所示，观察裂纹源上是否存在大颗粒夹杂物等缺陷。扫描电镜放大20 倍确认裂纹源位置与宏观观察位置一致（图4 （a）红色圈出位置），处于火切面受力最大点。在裂纹源处未发现夹杂物等其他缺陷，裂纹面呈解理断裂，如图4 （ b）所示，表现出脆性特征。

图4 渣罐裂纹源位置及形貌

1.4 组织分析

取裂纹源处试样，经磨抛后采用3%硝酸酒精酸蚀，在金相显微镜下观察裂纹源组织，观察结果如图5 所示。在坡口表层可见约0.3 mm 的熔化层，该层宏观上类似焊缝形貌，是由火切烧熔后的金属凝固而成，在坡口表层发现大量的魏氏体组织和板条马氏体组织（见图5 （a）），魏氏体组织脆性较大，在拉伸应力作用下极易开裂。火切近表面切硬层（距离表层约0.5 mm 位置）组织为板条马氏体组织，这是由于钢板未预热，厚度为80 mm 的Q345B 钢板火切后自淬火迅速转变成马氏体组织（见图5 （b）），零件在淬火冷却时，表层先发生马氏体转变，随后芯部体积发生膨胀，在表层产生拉应力，冷却速度越快，表层受到的拉应力则越大[8-11]。其他区域为珠光体+铁素体组织（见图5 （c）），火切前表面组织也为珠光体+铁素体组织（见图5 （d））。

图5 渣罐裂纹源附近金相组织

1.5 显微硬度分析

采用锯切的方法垂直并靠近火切面取硬度样，检测坡口表面因火切引起的硬度变化，取样位置及打点位置如图6 所示。硬度打点顺序：从火切面打点，每间隔0.6 mm 打一个硬度点，连续打三条硬度线，每条硬度线打17 个点。测试后与未火切样品硬度进行对比，对比结果如图7所示。

图6 硬度取样位置及打点位置

图7 火焰切割前后硬度分布情况对比

从图7 硬度分布来看，坡口面深度约3 mm出现硬化，且硬化深度不均匀，局部硬化深度达到3.5 mm，切硬层深度与淬硬组织深度相互印证。

1.6 原因分析

（1）在火焰切割坡口上存在2～3 mm 切硬组织，裂纹面呈解理断裂，以板条马氏体为主，同时在最表层发现大量魏氏体组织，此为开裂的主要内因。

（2）裂纹源位于火焰切割坡口表层，并在弯曲应力最大位置（火切沟槽最深位置）启裂，继续弯曲过程中扩展。启裂和扩展是一个复杂的过程，首先启裂会选择魏氏体严重区域，马氏体转变后在切割表面残留较大的组织内应力（压缩应力），同时切割表面沟槽也为裂纹启裂创造了有利条件。

2 火切坡口工艺优化

火切前未预热和火切后未进行表面处理的80 mm 厚Q345B 钢板，在卷筒弯曲过程中开裂风险极高，需要优化现有火切坡口工艺。以下对比常温、预热50 ℃、预热100 ℃和预热125 ℃的四种切割状态弯曲试样，试样尺寸500 mm×80 mm×25 mm，待弯曲试样如图8 所示。弯曲试验机弯芯直径75 mm，弯曲角度180°，弯曲后试样表面情况如图9 所示。

图8 待弯曲试样

对比图9 不难发现，本次试验中采取100 ℃和125 ℃预热后，火切坡口弯曲试样拉伸面均未发现任何裂纹，说明预热可以有效避免弯曲开裂。但在其他弯曲试验中出现了图9 （e）预热温度125 ℃仍然开裂情况，仔细观察火切面发现：该样品火切表面质量差，火切面上沟槽严重，开裂部位刚好处于沟槽严重的位置。分析认为，沟槽严重部位应力集中严重，在较大的弯曲拉伸应力作用下首先开裂；因此，建议采取火切前预热和火切后打磨等措施，可以有效降低弯曲开裂风险。