不锈钢焊管51mm×2.5mm×6000mm压扁开裂的原因分析

某厂家的不锈钢焊管在压扁试验过程中开裂，为找出不锈钢焊管开裂的原因，在实验室对未开裂不锈钢焊管进行了压扁验证试验，观察了开裂管的宏观形貌。并采用微观断口观察、金相分析及金属流线上升角测定等测试分析手段进行综合分析。结果表明，不锈钢焊管开裂的主要原因是由于不锈钢焊管中存在的硫化物夹杂破坏了不锈钢焊管金属的连续性，在焊接过程中，焊缝处于较大挤压力下，使得金属流线上升角过大且露头，从而引起开裂，裂纹沿着管材的中心偏析位置向内扩展。

不锈钢焊接钢管简称不锈钢焊管，是用钢板或钢带经过卷曲成型后焊接制成的钢管，焊接钢管生产工艺简单、生产效率高、品种规格多、设备投资少，但由于焊缝部位是薄弱环节，所以不锈钢焊管强度一般低于无缝钢管。近年来，以高频直缝不锈钢焊管和螺旋不锈钢焊管为代表的不锈钢焊管工艺在中国有了突破性进展，二者的性能差异主要表现在焊缝方向上，前者采用热轧或冷轧钢板或钢带卷焊制成的钢管在焊接设备上进行直缝焊接得到，而后者则将钢带按一定螺旋线的角度（叫成型角）卷成管坯，然后将管缝焊接起来制成。在应用的可靠性方面，根据使用情况，直缝不锈钢焊管的效果要比螺旋不锈钢焊管好。

虽然目前中国的不锈钢焊管工业飞速发展，但是在金属流线分析技术等方面，远不及美国、德国、日本等发达国家。金属流线是不锈钢焊管焊缝固有的纤维组织形貌，如果管板中心存在硫化物夹杂，有加剧焊缝金属流线的作用。通常，金属流线上升角越大，说明焊接挤压力越大，熔融金属被挤掉较多，从而使得板边金属焊合不好，易产生冷焊现象。

1试验材料及设备

某厂在进行不锈钢焊管压扁试验时沿焊缝发生开裂现象，该不锈钢焊管为St37-2G直缝不锈钢焊管，规格为ϕ51mm×2.5mm×6000mm。为找出开裂的原因，对不锈钢焊管进行宏观检验、扫描电镜（SEM）断口观察、金相分析和焊接金属流线上升角测定、压扁试验等综合分析。

2宏观检验及压扁试验

分别在开裂不锈钢焊管上取3段管样进行分析（管样1为开裂样，管样2紧挨开裂管前端，管样3为未裂样），其宏观形貌如图1所示。管样1的裂缝位于焊缝上，裂缝边缘平直，纵向贯穿整个焊缝，裂缝深约壁厚的1/4。管样2的焊缝热影响区宽度明显不一致。

3扫描电镜（SEM）断口观察

分别在管样1、管样2和管样3上再各取1个压扁试样在实验室对焊缝进行H＝(2/3)D压扁试验，观察3个试样的焊缝开裂情况。试样1焊缝肉眼可见开裂裂纹，试样2焊缝在显微镜下存在小裂纹，试样3焊缝未开裂。

在扫描电镜下观察试样1和试样2断口形貌，如图2所示。试样1断口为金属断口特征，但断口边缘存在一条没有金属断口特征的带状区域，该区域呈平直阶梯状且存在孔洞。试样2断口上存在解理特征，这是典型的脆性断裂形貌，说明焊缝区有脆性组织。

4金相分析

在管样1、管样2和管样3上正常部位母材上分别制取纵向金相试样，对基体进行金相分析，结果如图3、图4所示，非金属夹杂物及带状组织评级如表2所以。结果显示，管样1存在2.0级的氧化物夹杂和2.5级球状氧化物夹杂，管样2和管样3夹杂物均在正常范围。基体组织正常，都为铁素体＋少量珠光体，管母材中心部位还发现细条状、不够标准评级下限的硫化物夹杂和轻微的中心偏析组织。管母材的铁素体晶粒均匀、细小，根据GB/T6394—2002《金属平均晶粒度测定方法》，其铁素体晶粒度为10.0级。

将管样1、管样2和管样3原焊接金属流线腐蚀面制成金相试样，低倍下观察未发现严重中心线缺陷，如图5所示。每个管样的热影响区“腰鼓形”中心部位的宽度均远远大于板厚的1/3，这是由于焊接线能量过大或焊速过慢造成的。管样1焊缝组织及开裂部位组织形貌如图6所示，仔细观察后发现裂缝未穿透焊接热影响区，裂缝两边都是典型的针状铁素体组织，裂缝尖部较圆顿。裂缝起裂部位存在细晶层，这是由于焊接时管板表层冷却较快造成的。

5焊缝金属流线检验

用饱和苦味酸溶液进行管样1、管样2和管样3的金属流线检验，如图7所示，并测量其流线角，测量数据如表3所示。从图7（a）中发现，管样1金属流线不对称，且流线上升角较大，流线外露焊缝表面，说明焊接时挤压力偏大并不对称。压扁的管样2流线腐蚀后也发现裂纹，裂纹沿熔合线及中心偏析形成的金属流线同时向内扩展。而管样3流线角较小，没有露头现象。

6结果分析

经过分析，不锈钢焊管的基体组织正常，铁素体晶粒均匀、细小，仅管板中心存在少量硫化物夹杂。因此，硫化物夹杂中心偏析的存在隔断了金属的连续性，是不锈钢焊管开裂的内因之一。从金属流线图中可以看出，管样1和管样2金属流线上升角较大且露头，而开裂位置正是在露头处，因此焊接时挤压力过大或不对称是管板开裂的外因。这是由于金属流线上升角较大，露头处几乎与熔合线平行靠近，在焊接时出现裂纹，在随后压扁过程中尤其是较大挤压力下，压扁力传导给焊缝表面的张力沿金属流线的垂直分力较大，因此裂纹有利于在金属流线露头处形成并沿着金属流线继续向内扩展。管样3流线上升角较小，也没有露头现象，因此压扁过程中并未开裂。3段不锈钢焊管样取自同一开裂管的不同部位，金属流线形貌不一致的现象说明在焊接过程中，挤压力不均匀，使得在不锈钢焊管的不同部位受力情况不同，受力过大的部位流线角也较大，且存在露头现象，因此在压扁过程中易于开裂。

7结论及建议

（1）管材存在硫化物夹杂偏析影响了金属的连续性。焊接压力偏大且不均匀使得焊接流线露头，管板应力集中而引起开裂。

（2）建议控制管材夹杂物分布，并调整焊接工艺，将流线上升角控制在40°～60°范围内。