钢板分层和焊接冷脆性开裂的区别及处理

钢板分层和焊接冷脆性开裂的区别及处理-陈定乾

钢板分层和焊接（火切）冷脆性开裂的区别及处理

（指导老师：全国劳动模范艾爱国）

（见《质量问题分析指南》-陈定乾著

核心提示：伴随着国际铁矿石价格的大幅上涨，我国钢铁工业陷入微（薄）利时代。2010年我国大中型钢铁企业实际利润897亿元，销售利润率2.91%，远低于全国工业企业6.2%的平均水平，其中宝钢380亿元，占到利润的42%，多数企业处于微利或亏损状态。而钢厂降成本的大头在于降低合金和改变工艺路线。二流钢厂的钢板质量大幅度下降，分层钢板大幅增加，主要原因是调合金和工艺路线的简化。采用“提碳降锰”，甚至Q345B也要预热了，否则都可能有冷脆性裂纹产生。钢板绝大多数用于加工，而焊条钢又为钢厂所生产，生产的钢板改变了化学成份，改变了组织结构，焊条钢也改变了，两者的改变，也会出现不匹配的现象。目前分层钢板多，偏析严重钢板多，焊接后问题多在所难免。对焊接工艺相当调整，解决一些焊接后出现的问题，成为当前的焦点之一。

钢板分层与钢板火切、焊接后的冷脆性裂纹，表现形式一般相同，都为板材中部的裂纹，从使用上来讲，分层钢板必须切除，整块分层就整块摘除，局部分层可以局部摘除。钢板的冷脆性裂纹，表现的形式为中部开裂，有的人也称之为“开裂”，为方便分析，定义为“冷脆性开裂”较为妥当些，这种缺陷可以采用补救措施，用适当焊接工艺来处理，不用报废。

1、钢板分层

分层是钢板（坯）断面出现局部的缝隙，使钢板断面形成局部层状，是钢材中的一种致命性缺陷，钢板不得有分层，见图1。分层亦称夹层、离层，是钢材的内部缺陷。钢锭（坯）内的气泡、大块的非金属夹杂物、未完全切除的残余缩孔或发生折叠、严重的偏析均可能引起钢材的分层，而不太合理的轧制压下规程又可能使分层加剧。

图1 钢板分层

2、钢板分层的种类

根据产生原因的不同，分层所表现的部位形态也不同，有的隐藏在钢材内部，内表面与钢材表面平行或基本平行；也有的延伸到钢材表面,又在钢材表面形成沟纹状的表面缺陷。概括起来有2种形式：

第1种为开口型分层。这种分层缺陷在钢材的断口上宏观就可发现，一般在钢厂和制造厂里基本上能被复检出来。

第2种为封闭型分层。这种分层缺陷在钢材的断口中看不到，在制造厂内如果不进行逐张钢板100%超声波探伤，亦难以发现，它是一种处于钢板内部的封闭型分层。这种分层缺陷从冶炼厂带到制造厂，最后被加工制造成产品出厂。

分层缺陷的存在使分层区钢板承受载荷的有效厚度减少，降低了与分层同方向受载的承载能力。分层缺陷的边线形状尖锐，对应力作用非常敏感，会引起严重的应力集中。在运行过程中若有反复的加载、卸载、升温、降温，就会在应力集中区形成很大的交变应力,以致造成应力疲劳。

3、冷裂纹的评估方法

3.1 碳当量法----评估钢材冷裂纹倾向

由于焊接热影响区的淬硬及冷裂纹倾向与钢种的化学成分有关，所以利用化学成分间接地评估钢材冷裂纹的敏感性。把钢中合金元素的含量按其作用换算成碳的相当含量，作为粗略评定钢材冷裂倾向的一种参数指标，即碳当量法。对于低台金钢的碳当量法，国际焊接学会（IIW）推荐公式：

Ceq(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，

根据公式计算碳当量的数值越大，被焊钢材的淬硬倾向就越大，热影响区越易产生冷裂纹。因此可以用碳当量的大小来评定钢材焊接性的优劣，并按焊接性的优劣提出防止产生焊接裂纹的最佳工艺条件。

当使用国际学会推荐的公式时，若Ceq(IIW)＜0.4％，则淬硬倾向不大，焊接性良好，焊前不需要预热；若Ceq (IIW)＝0.4％～0.6％，尤其是大于0.5％时，钢材易淬硬．说明焊接性已变差，焊时需预热才能防止焊接裂纹，随板厚增大预热温度要相应提高。

3.2 焊接冷裂纹敏感指数

低合金高强钢焊接时产生冷裂纹的原因除化学成分外，还有熔敷金属中扩散氢含量、接头的拘束应力等，日本伊藤等人采用斜Y形坡口铁研试验对200多个钢种做了大量试验提出了由化学成分、扩散氢和拘束度(或板厚)所建立的冷裂纹敏感指数等公式，并用冷裂纹敏感性指数来确定防止冷裂纹所须的焊前预热温度。一般认为，下述公式可用于碳含量不大于0.16%、抗拉强度为400～900MPa的低合金高强度钢。

Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B （%）；

Pc=Pcm+[H]/60+t/600（%）

To=1440Pc-392 （℃）

式中： [H]——采用日本JIS 3113标准测定的熔敷金属扩散氢含量（ml/100g）；

t——板厚（mm）；To——最低焊前预热温度（℃）。

计算出该厚度钢板的焊接冷裂纹敏感性指数Pc，和不裂的最低焊前预热温度To约为多少度。计算结果To≥50℃时，该钢板具有一定的焊接冷裂纹敏感性，要进行预热。

4、大型构件冷脆性“开裂”的修复

钢板焊接完成以后，某块钢板某部分开裂了，说是“分层”了，见下图2，裂纹的形貌。焊接专家认为修复工艺定义为“钢板Z向裂纹的焊补工艺”为妥些。由于构件很大，将此钢板拆下，工作量大，再重新焊接一块，极有可能整个构件发生变形，整个构件要报废，损失很大。

图2 大型构件开裂

图3 分层钢板探伤波形（图2钢板厚度35mm)