20钢无缝化ERW焊管生产中产生焊缝横向开裂的原因分析
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收稿日期 : 2007 - 03 - 01
(上接第 65页 )
合上看 ,能看到外焊熔合线 ,内焊熔合线被外焊熔 合线熔合 ,熔深重合量不能十分精确测量 ,只能大 致划分 。
从以上计算可以看出 ,选择合适铣边形状与 焊接工艺相匹配 ,就能够达到设计的焊接熔深 、焊 道形状 。以上计算 ,可以作为带钢铣削工艺 、焊接 工艺编制的依据 。
4 结 语
在螺旋焊管生产中 ,生产前进行铣削工艺 、焊 接工艺理论计算 ,制定出合理的带钢铣削工艺 、焊
接工艺是十分重要的 ,它可以大大减少在生产线 上的试验次数 ,降低试生产过程中原材料的浪费 。
参考文献 :
[ 1 ]美国金属学会. 金属手册 (第八版 ,第六卷 ) [M ]. 李润 民 ,译. 北京 :机械工业出版社 , 1982.
使空冷段钢管冷却时不能回缩 ,在定径机与成型 机之间产生的轴向拉应力 ,加剧了裂纹的产生和 扩展 ; ④合理控制焊接口角保证在 6°以内 。
3 结 语
20钢无缝化 ERW 焊管生产过程中产生焊缝 横向开裂 ,严重影响产品质量 ,凡产生开裂的焊管 只能被判定为废品 ,导致企业损失 。通过严格控 制原料的夹杂物级别和优化焊接 、定径工艺可以 消除焊缝横向裂纹的产生 。
- 0. 20 mm;直径为 133～219 mm 时 ,内毛刺高度 应控制在 0～ - 0. 24 mm。
主要生产设备包括 :开卷机 、钢板矫平机 、板
端剪切对焊机 、活套 、成型机 、固态高频焊接机 、内 外焊缝毛刺清除机 、中频退火机 、定径机 、定尺锯 切机 、平头机 、水压机 、辊底式连续退火炉 、钢管矫 直机等 。
1 20钢无缝化 ERW 焊管的生产工艺流 程和主要设备
采用去除内外焊缝毛刺方式生产 20 钢无缝 化 ERW 焊管 ,其工艺流程为 :原料 (中宽板带 )的 检验和试验 →纵剪分条 →上料开卷 →矫平 →板端 剪切 、对焊 →活套充料 →辊式成形 →高频感应焊 接 →去除焊缝内外毛刺 →焊缝涡流探伤 →空冷 → 水冷 →定径 →飞锯切断 →取样 →检验 、试验 →平 头 →水压试验 →钢管整体正火 →矫直 →检验 →包 装 →入库 。采用此种方法生产无缝化 ERW 焊管 对焊缝毛刺清除要求很高 ,焊管直径不同 ,内毛刺 高度 控 制 要 求 也 不 同 。具 体 来 说 : 直 径 小 于 76 mm时 ,内毛刺高度应控制在 0～ - 0. 15 mm;直 径为 89 ～114 mm 时 ,内毛刺高度应控制在 0 ～
2 焊缝横向开裂的原因
2. 1 钢管焊缝横向开裂的部位 采用去除焊缝内外毛刺方法生产的 20 钢无
缝化 ERW 焊管规格为 <219 mm ×8. 0 ( 8. 5 ) mm ×12 000 mm 和 <159 mm ×7. 0 mm ×9 000 mm。
当钢管成形焊接并通过中频机 、压光辊后在冷却
·92·
焊 管 2007年 7月
Cause Ana lyses of Tran sverse Crack O ccurred in Production of Seam less ERW P ipe of 20 Steel L IU Hui2yi
Abstract ID : 100123938 ( 2007) 04200662EA Abstract: This article briefly introduces p roduction p rocess flow and its main equipments of seam less ERW p ipe of 20 steel, and analyzes cause of transverse crack occurred in p roduction of seam less ERW p ipe of 20 steel, and gives out the main measures to solve transverse crack. It is efficient to elim inate the occurrence of transverse crack on weld by means of op tim izing welding, sizing p rocess and strictly control to inclusions class of raw m a te ria l. Key words: ERW p ipe; transverse crack; inclusions class; op tim izing welding p rocess
·68·
焊 管 2007年 7月
2. 4 解决焊缝横向开裂的措施 2. 4. 1 提高原料质量 ,严格控制夹杂物级别
具体措施是 : ①合理利用合金烘烤装置 ,降低 出钢温度 ,防止钢水过吹现象 ,防止钢水温度高 、 氧化性强吸附耐火材料中的硅酸盐 ; ②严格控制 炼钢生产工艺 ,将钢水吹氩时间调整到 8 m in以 上 ,使钢水中夹杂充分上浮 ,确保钢水纯净度 ; ③ 调整中间包浇注温度 ,中间包温度控制在 1 535～ 1 545 ℃范围内 ,防止高温浇注时钢水污染产生夹 杂 ; ④采用保护浇注可以从根本上解决夹杂物过 大的问题 。
Process Param eters O ptim iza tion of H igh Speed W eld ing w ith D ouble W ires for Sp ira l Subm erged Arc W elded P ipe HU De2hu, ZHAO W ei, N IU Hui, ZHANG Feng
对于 20钢原料夹杂物 ,如硫化物夹杂一般应 该控制在 1. 5 级以内 , 硅酸盐夹杂应该控制在 2级以内 。 2. 4. 2 优化焊接生产工艺
具体措施是 : ①对焊缝进行中频正火处理 ,温 度为 880 ～920 ℃,改变夹杂物的大小 、形态 、分 布 ,使大的长条状夹杂物变成小的粒状夹杂物 ,同 时使焊接过程中在热影响区产生的内应力尽快释 放 ; ②增加磁棒的数量或者体积 ,加大焊接边缘的 集肤效应和临近效应 ,增大管边的电流密度 ,在增 加热效率的同时提高焊接速度 ,减小热影响区宽 度 ,以减少夹杂物的聚集长大 ,增加强度 ; ③减小 定径量 ,定径量大导致定径辊对钢管的夹持力大 ,
对试样进行金相分析 ,夹杂物形貌与分布如 图 1所示 。硫化物和硅酸盐夹杂物一般在高温下 具有良好的延伸性能 ,在带钢轧制时会沿轧制方 向呈长条状分布 。高温焊接时钢材中的硫化物夹 杂容易导致焊管产生高温开裂 。从金相分析看 , 硫化物夹杂仅为 0. 5级 ,显然控制较好 ,不会对产 品质量产生大的影响 。但硅酸盐夹杂物级别为 3 级 ,明显偏大 ,硅酸盐夹杂物在较低温度时呈脆 性 ,与基体结合较弱 [ 1 ] 。
管的焊缝 、母材以及裂纹末端的横向截面取样进
行金相分析 ,结果见表 1。
表 1 ERW 焊管的焊缝 、母材 及裂纹末端横向截面取样金相分析结果
母材组织和 晶粒度 铁素体 +
珠光体 、9级
焊缝组织
铁素体 +贝 氏体 +珠光体
夹杂物级别及形态
热影响区 宽度 / mm
A类、 0. 5级
C类、 3级
3. 5～3. 8
参考文献 :
[ 1 ]黄其昆. 非金属夹杂物对热轧带钢横向冷弯性能的影 响 [ J ]. 钢铁研究学报 , 1995, 7 (1) : 84 - 86.
[ 2 ]切诺帕诺夫. 脆性断裂力学 [M ]. 黄克智 ,译. 北京 :科 学出版社 , 1990: 109 - 139.
作者简介 :刘辉义 ( 1965 - ) ,男 , 1988 年毕业于华中科技 大学金属材料专业 ,工学学士 ,长期从事管道成形焊接与 表面处理的生产 、技术和管理工作 ,已在行业性刊物发表 论文 15篇 。
[ 2 ]天津大学. 工程焊接冶金学 [M ]. 北京 :机械工业出版 社 , 1997.
[ 3 ]西北工业大学. 机械设计 [M ]. 上海 : 人民教育出版 社 , 1999.
作者简介 :刘洪飞 ,男 ,高级工程师 ,主要从事焊管机械设 计和生产管理工作 。
收稿日期 : 2006 - 12 - 26
图 2 沿夹杂物产生微裂纹 100 ×
导致裂纹延伸并贯穿钢管基体 [ 2 ] 。 2. 3 电镜扫描断口形貌及分析
从断口形貌 (图 3)上看 ,裂纹扩展不是沿晶 界断裂 ,而是脆性的解理断裂 。这排除了沿晶界 存在低熔点共晶产物 (例如硫化亚铁等 )的可能 性 ,与金相检测硫化物夹杂为正常相一致 。
段冷却过程中以及停机冷却后发生垂直于焊缝的
开裂 ,裂纹沿焊缝纵向呈间距不等的横向分布 ,单 个裂缝以焊缝为中心向两侧延伸 ,最大开裂长度 达到 60 mm , 呈 贯 穿 式 开 裂 , 并 伴 随 尖 锐 的 炸 裂声 。
2. 2 横向开裂金相检测及分析 对 20钢 <219 mm ×8. 0 mm 无缝化 ERW 焊
第 30卷第 4期 刘辉义 : 20钢无缝化 ERW 焊管生产中产生焊缝横向开裂的原因分析
·67·
A 类硫化物夹杂在正常范围内 ,但 C类硅酸 盐夹杂明显超标 ,在裂纹末端的横向截面中 ,出现 呈聚集状的不规则夹杂物 。 8 mm 厚度焊管的焊 接热影响区宽度应控制在 2. 0～2. 7 mm 范围内 , 但实际为 3. 5～3. 8 mm ,已经明显大于正常焊接 要求的宽度 。
目前国内生产 20 钢无缝化 ERW 焊管一般 采用张力减径和完全去除焊缝内外毛刺后进行整 体正火的方式 。20钢无缝化 ERW 焊管焊接时由 于原料 、工艺 、设备原因容易产生焊缝纵向开裂 , 而焊缝横向开裂较少 ,但横向开裂一旦发生对钢 管的危害极大 ,凡是发生横向开裂的钢管只能判 定为废品 。
夹杂物形态与裂纹见图 4,在图中看到了在 大的解理面上存在夹杂物 (见图中箭头 ) ,裂纹首 先从此处开裂 ,说明夹杂物促进了裂纹的产生和 扩展 。
图 1 夹杂物形貌与分布 100 ×
219机组 焊接 最大 功率 为 350 kW , 在焊 接 8. 0 mm壁厚的 20钢钢管时 ,功率相对较小 ,为了 达到焊接温度必须降低焊接速度 ,实际焊接速度 仅为 9. 3 m /m in。由于焊接速度慢导致热影响区 宽度过宽 ,使热影响区的硅酸盐夹杂物重新聚集 长大 ,并残留在热影响区 。焊缝在高温焊接水冷 过程中产生空位位错 ,同时在相变应力作用下也 会产生位错 。在焊接应力作用下 ,当空位位错与 相变位错发生移动聚集在夹杂物处 ,且夹杂物尺 寸大于裂纹形成临界尺寸时 ,夹杂物便会成为微 裂纹起源核心 ,从而使焊接热影响区成为钢管强 度最薄弱的区域 。
·66·
●经验交流
焊管 ·第 30卷第 4期 ·2007年 7月
20钢无缝化 ERW 焊管生产中 产生焊缝横向开裂的原因分析
刘辉义
(唐山建龙实业有限公司 , 河北 唐山 064200)
摘 要 : 简单介绍了 20钢无缝化 ERW 焊管的生产工艺流程及其主要设备 。分析了 20钢无 缝化 ERW 焊管在生产过程中产生焊缝横向开裂的原因 ,提出了解决横向开裂的主要措施 。 通过严格控制原料的夹杂物级别和优化焊接 、定径工艺可以有效地消除焊缝横向裂纹的产生 。 关键词 : ERW 焊管 ; 横向开裂 ; 夹杂物级别 ; 优化焊接工艺 中图分类号 : TG441. 7 文献标志码 : B 文章编号 : 1001- 3938 (2007) 04 - 0066- 03
当钢管温度降低时 ,在成型机与定径机区域 间钢管会收缩 ,在焊缝上产生纵向拉应力 ,使硅酸 盐夹杂物与基体剥离甚至发生破裂导致微裂纹产 生 ,金相照片见图 2, 从图中可以看到沿夹杂 物产生的微裂纹在纵向拉应力作用下不断扩展 ,
图 3 断口形貌 200 × 图 4 夹杂物形态与裂纹 200 000 ×
(上接第 65页 )
合上看 ,能看到外焊熔合线 ,内焊熔合线被外焊熔 合线熔合 ,熔深重合量不能十分精确测量 ,只能大 致划分 。
从以上计算可以看出 ,选择合适铣边形状与 焊接工艺相匹配 ,就能够达到设计的焊接熔深 、焊 道形状 。以上计算 ,可以作为带钢铣削工艺 、焊接 工艺编制的依据 。
4 结 语
在螺旋焊管生产中 ,生产前进行铣削工艺 、焊 接工艺理论计算 ,制定出合理的带钢铣削工艺 、焊
接工艺是十分重要的 ,它可以大大减少在生产线 上的试验次数 ,降低试生产过程中原材料的浪费 。
参考文献 :
[ 1 ]美国金属学会. 金属手册 (第八版 ,第六卷 ) [M ]. 李润 民 ,译. 北京 :机械工业出版社 , 1982.
使空冷段钢管冷却时不能回缩 ,在定径机与成型 机之间产生的轴向拉应力 ,加剧了裂纹的产生和 扩展 ; ④合理控制焊接口角保证在 6°以内 。
3 结 语
20钢无缝化 ERW 焊管生产过程中产生焊缝 横向开裂 ,严重影响产品质量 ,凡产生开裂的焊管 只能被判定为废品 ,导致企业损失 。通过严格控 制原料的夹杂物级别和优化焊接 、定径工艺可以 消除焊缝横向裂纹的产生 。
- 0. 20 mm;直径为 133～219 mm 时 ,内毛刺高度 应控制在 0～ - 0. 24 mm。
主要生产设备包括 :开卷机 、钢板矫平机 、板
端剪切对焊机 、活套 、成型机 、固态高频焊接机 、内 外焊缝毛刺清除机 、中频退火机 、定径机 、定尺锯 切机 、平头机 、水压机 、辊底式连续退火炉 、钢管矫 直机等 。
1 20钢无缝化 ERW 焊管的生产工艺流 程和主要设备
采用去除内外焊缝毛刺方式生产 20 钢无缝 化 ERW 焊管 ,其工艺流程为 :原料 (中宽板带 )的 检验和试验 →纵剪分条 →上料开卷 →矫平 →板端 剪切 、对焊 →活套充料 →辊式成形 →高频感应焊 接 →去除焊缝内外毛刺 →焊缝涡流探伤 →空冷 → 水冷 →定径 →飞锯切断 →取样 →检验 、试验 →平 头 →水压试验 →钢管整体正火 →矫直 →检验 →包 装 →入库 。采用此种方法生产无缝化 ERW 焊管 对焊缝毛刺清除要求很高 ,焊管直径不同 ,内毛刺 高度 控 制 要 求 也 不 同 。具 体 来 说 : 直 径 小 于 76 mm时 ,内毛刺高度应控制在 0～ - 0. 15 mm;直 径为 89 ～114 mm 时 ,内毛刺高度应控制在 0 ～
2 焊缝横向开裂的原因
2. 1 钢管焊缝横向开裂的部位 采用去除焊缝内外毛刺方法生产的 20 钢无
缝化 ERW 焊管规格为 <219 mm ×8. 0 ( 8. 5 ) mm ×12 000 mm 和 <159 mm ×7. 0 mm ×9 000 mm。
当钢管成形焊接并通过中频机 、压光辊后在冷却
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焊 管 2007年 7月
Cause Ana lyses of Tran sverse Crack O ccurred in Production of Seam less ERW P ipe of 20 Steel L IU Hui2yi
Abstract ID : 100123938 ( 2007) 04200662EA Abstract: This article briefly introduces p roduction p rocess flow and its main equipments of seam less ERW p ipe of 20 steel, and analyzes cause of transverse crack occurred in p roduction of seam less ERW p ipe of 20 steel, and gives out the main measures to solve transverse crack. It is efficient to elim inate the occurrence of transverse crack on weld by means of op tim izing welding, sizing p rocess and strictly control to inclusions class of raw m a te ria l. Key words: ERW p ipe; transverse crack; inclusions class; op tim izing welding p rocess
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焊 管 2007年 7月
2. 4 解决焊缝横向开裂的措施 2. 4. 1 提高原料质量 ,严格控制夹杂物级别
具体措施是 : ①合理利用合金烘烤装置 ,降低 出钢温度 ,防止钢水过吹现象 ,防止钢水温度高 、 氧化性强吸附耐火材料中的硅酸盐 ; ②严格控制 炼钢生产工艺 ,将钢水吹氩时间调整到 8 m in以 上 ,使钢水中夹杂充分上浮 ,确保钢水纯净度 ; ③ 调整中间包浇注温度 ,中间包温度控制在 1 535～ 1 545 ℃范围内 ,防止高温浇注时钢水污染产生夹 杂 ; ④采用保护浇注可以从根本上解决夹杂物过 大的问题 。
Process Param eters O ptim iza tion of H igh Speed W eld ing w ith D ouble W ires for Sp ira l Subm erged Arc W elded P ipe HU De2hu, ZHAO W ei, N IU Hui, ZHANG Feng
对于 20钢原料夹杂物 ,如硫化物夹杂一般应 该控制在 1. 5 级以内 , 硅酸盐夹杂应该控制在 2级以内 。 2. 4. 2 优化焊接生产工艺
具体措施是 : ①对焊缝进行中频正火处理 ,温 度为 880 ～920 ℃,改变夹杂物的大小 、形态 、分 布 ,使大的长条状夹杂物变成小的粒状夹杂物 ,同 时使焊接过程中在热影响区产生的内应力尽快释 放 ; ②增加磁棒的数量或者体积 ,加大焊接边缘的 集肤效应和临近效应 ,增大管边的电流密度 ,在增 加热效率的同时提高焊接速度 ,减小热影响区宽 度 ,以减少夹杂物的聚集长大 ,增加强度 ; ③减小 定径量 ,定径量大导致定径辊对钢管的夹持力大 ,
对试样进行金相分析 ,夹杂物形貌与分布如 图 1所示 。硫化物和硅酸盐夹杂物一般在高温下 具有良好的延伸性能 ,在带钢轧制时会沿轧制方 向呈长条状分布 。高温焊接时钢材中的硫化物夹 杂容易导致焊管产生高温开裂 。从金相分析看 , 硫化物夹杂仅为 0. 5级 ,显然控制较好 ,不会对产 品质量产生大的影响 。但硅酸盐夹杂物级别为 3 级 ,明显偏大 ,硅酸盐夹杂物在较低温度时呈脆 性 ,与基体结合较弱 [ 1 ] 。
管的焊缝 、母材以及裂纹末端的横向截面取样进
行金相分析 ,结果见表 1。
表 1 ERW 焊管的焊缝 、母材 及裂纹末端横向截面取样金相分析结果
母材组织和 晶粒度 铁素体 +
珠光体 、9级
焊缝组织
铁素体 +贝 氏体 +珠光体
夹杂物级别及形态
热影响区 宽度 / mm
A类、 0. 5级
C类、 3级
3. 5～3. 8
参考文献 :
[ 1 ]黄其昆. 非金属夹杂物对热轧带钢横向冷弯性能的影 响 [ J ]. 钢铁研究学报 , 1995, 7 (1) : 84 - 86.
[ 2 ]切诺帕诺夫. 脆性断裂力学 [M ]. 黄克智 ,译. 北京 :科 学出版社 , 1990: 109 - 139.
作者简介 :刘辉义 ( 1965 - ) ,男 , 1988 年毕业于华中科技 大学金属材料专业 ,工学学士 ,长期从事管道成形焊接与 表面处理的生产 、技术和管理工作 ,已在行业性刊物发表 论文 15篇 。
[ 2 ]天津大学. 工程焊接冶金学 [M ]. 北京 :机械工业出版 社 , 1997.
[ 3 ]西北工业大学. 机械设计 [M ]. 上海 : 人民教育出版 社 , 1999.
作者简介 :刘洪飞 ,男 ,高级工程师 ,主要从事焊管机械设 计和生产管理工作 。
收稿日期 : 2006 - 12 - 26
图 2 沿夹杂物产生微裂纹 100 ×
导致裂纹延伸并贯穿钢管基体 [ 2 ] 。 2. 3 电镜扫描断口形貌及分析
从断口形貌 (图 3)上看 ,裂纹扩展不是沿晶 界断裂 ,而是脆性的解理断裂 。这排除了沿晶界 存在低熔点共晶产物 (例如硫化亚铁等 )的可能 性 ,与金相检测硫化物夹杂为正常相一致 。
段冷却过程中以及停机冷却后发生垂直于焊缝的
开裂 ,裂纹沿焊缝纵向呈间距不等的横向分布 ,单 个裂缝以焊缝为中心向两侧延伸 ,最大开裂长度 达到 60 mm , 呈 贯 穿 式 开 裂 , 并 伴 随 尖 锐 的 炸 裂声 。
2. 2 横向开裂金相检测及分析 对 20钢 <219 mm ×8. 0 mm 无缝化 ERW 焊
第 30卷第 4期 刘辉义 : 20钢无缝化 ERW 焊管生产中产生焊缝横向开裂的原因分析
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A 类硫化物夹杂在正常范围内 ,但 C类硅酸 盐夹杂明显超标 ,在裂纹末端的横向截面中 ,出现 呈聚集状的不规则夹杂物 。 8 mm 厚度焊管的焊 接热影响区宽度应控制在 2. 0～2. 7 mm 范围内 , 但实际为 3. 5～3. 8 mm ,已经明显大于正常焊接 要求的宽度 。
目前国内生产 20 钢无缝化 ERW 焊管一般 采用张力减径和完全去除焊缝内外毛刺后进行整 体正火的方式 。20钢无缝化 ERW 焊管焊接时由 于原料 、工艺 、设备原因容易产生焊缝纵向开裂 , 而焊缝横向开裂较少 ,但横向开裂一旦发生对钢 管的危害极大 ,凡是发生横向开裂的钢管只能判 定为废品 。
夹杂物形态与裂纹见图 4,在图中看到了在 大的解理面上存在夹杂物 (见图中箭头 ) ,裂纹首 先从此处开裂 ,说明夹杂物促进了裂纹的产生和 扩展 。
图 1 夹杂物形貌与分布 100 ×
219机组 焊接 最大 功率 为 350 kW , 在焊 接 8. 0 mm壁厚的 20钢钢管时 ,功率相对较小 ,为了 达到焊接温度必须降低焊接速度 ,实际焊接速度 仅为 9. 3 m /m in。由于焊接速度慢导致热影响区 宽度过宽 ,使热影响区的硅酸盐夹杂物重新聚集 长大 ,并残留在热影响区 。焊缝在高温焊接水冷 过程中产生空位位错 ,同时在相变应力作用下也 会产生位错 。在焊接应力作用下 ,当空位位错与 相变位错发生移动聚集在夹杂物处 ,且夹杂物尺 寸大于裂纹形成临界尺寸时 ,夹杂物便会成为微 裂纹起源核心 ,从而使焊接热影响区成为钢管强 度最薄弱的区域 。
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●经验交流
焊管 ·第 30卷第 4期 ·2007年 7月
20钢无缝化 ERW 焊管生产中 产生焊缝横向开裂的原因分析
刘辉义
(唐山建龙实业有限公司 , 河北 唐山 064200)
摘 要 : 简单介绍了 20钢无缝化 ERW 焊管的生产工艺流程及其主要设备 。分析了 20钢无 缝化 ERW 焊管在生产过程中产生焊缝横向开裂的原因 ,提出了解决横向开裂的主要措施 。 通过严格控制原料的夹杂物级别和优化焊接 、定径工艺可以有效地消除焊缝横向裂纹的产生 。 关键词 : ERW 焊管 ; 横向开裂 ; 夹杂物级别 ; 优化焊接工艺 中图分类号 : TG441. 7 文献标志码 : B 文章编号 : 1001- 3938 (2007) 04 - 0066- 03
当钢管温度降低时 ,在成型机与定径机区域 间钢管会收缩 ,在焊缝上产生纵向拉应力 ,使硅酸 盐夹杂物与基体剥离甚至发生破裂导致微裂纹产 生 ,金相照片见图 2, 从图中可以看到沿夹杂 物产生的微裂纹在纵向拉应力作用下不断扩展 ,
图 3 断口形貌 200 × 图 4 夹杂物形态与裂纹 200 000 ×