经验交流

扫描电镜在HFW焊接缺陷分析中的应用

芦 琳 1,2

(1.国家石油天然气管材工程技术研究中心,陕西 宝鸡721008;2.宝鸡石油钢管有限责任公司 钢管研究院,陕西 宝鸡721008)

摘 要: 为了对高频电阻焊(HFW)焊管的缺陷研究提供定性和半定性分析的依据,以HFW焊管为研究对象,采用扫描电子显微镜(SEM)结合X射线能谱仪对焊接过程中出现的多种缺陷,如Mn-Si系夹杂物、Mn-S系夹杂物以及Mg-Ca-Al系夹杂物进行了微观形貌及成分分析。通过全面分析,找到了引发断裂的主要原因,发现夹杂物破坏了焊接接头金属的连续性和均匀性,从而降低了焊接接头的塑韧性和综合力学性能。最后针对出现的问题,提出了防范措施。

关键词: 扫描电镜;HFW;缺陷;夹杂物

HFW焊管具有生产效率高、尺寸精度高、外形美观等优点,近年来得到了迅速发展。HFW焊管在实际焊接过程中,其焊缝处有时会产生夹杂、未焊合、弱结合、裂纹等焊接缺陷,而部分焊管内、外壁的焊接热影响区也会产生纵向分布的微裂纹,这些缺陷的存在会使焊管质量大大降低,其使用危险性进一步增加,因此需要对焊管焊缝缺陷位置进行全面分析,找出引发断裂的主要原因,并提出防范措施,分析过程对于安全生产具有重要的意义 [1-3]

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

选取HFW钢管焊缝冲击失效样品为研究对象,处理过程为:①将样品进行编号;②将所有样品放入H66025T超声波清洗机中进行表面氧化物的去除,清洗液采用10%柠檬酸水溶液,清洗时间为5 min;③清洗过后的样品放入无水乙醇中去除表面残留水分,并用热风吹干。反复此过程直至通过肉眼观察样品表面无残余氧化物为止。

1.2 试验方法

本研究采用HITACHI-S3700型扫描电子显微镜进行分析,以能量为20 keV的电子束作为微束激发源,以光栅状扫描方式照射到光度分析试样的表面,分析入射电子和试样表面物质的相互作用所产生的多种信息,从而研究样品表面微区形貌。使用X射线能谱仪对样品微区成分进行半定量分析,结合形貌判断缺陷来源。

2 试验结果及分析

2.1 Mn-Si系夹杂物缺陷

图1 断口及起裂区低倍形貌

选取含有Mn-Si系夹杂物的冲击样品为分析对象,其断口低倍形貌如图1(a)所示。图1(b)中可以清晰观察到断面起裂区存在明显的放射状形貌,集中观察放射状起点位置,发现其中含有大量夹杂物,夹杂物分布区域较大,宽度约400~500 μm,长度约 800~1 000 μm。进一步观察夹杂物形貌,如图2(a)所示,发现其团聚在一起,外形不规则,多数呈现多边形,有明显棱角,其尺寸大约10~25 μm。使用X射线能谱仪对夹杂物进行定点分析,如图2(b)和图3所示,发现其主要含有Si、Mn、O等元素,分析结果见表1。

分析认为,炼钢过程中,为了保证钢材质量而加入了一定质量的脱氧、脱硫剂等,然而由于没有足够上浮时间,钢包中的小颗粒产生了滞留,导致原材料中夹杂物过多。而HFW焊接是利用高频电流的集肤效应和邻近效应将管坯边缘迅速加热到焊接温度然后挤压、进而成型的工艺过程,焊接时,由于焊接热输入控制不当或者挤压量不足等原因,使坡口两侧的夹杂物不能完全被挤出,从而形成此类焊接缺陷 [4]

图2 Mn-Si系夹杂物微观形貌

图3 Mn-Si系夹杂物能谱分析

表1 Mn-Si系夹杂物能谱分析结果

2.2 Mn-S系夹杂物缺陷

选取含有Mn-S系夹杂物的焊缝冲击样品为分析对象,其断口低倍形貌如图4(a)所示。图4(a)中可以清晰观察到带状组织,其分布在冲击断口的中部区域(图4(a)中A位置),宽度约1.2 mm,长度方向贯穿整个样品;高倍观察带状组织区域,如图4(b)所示。发现其条带状明显且层次分明,中部区域比较光滑,两侧为典型的脆性断口,大部分为解理形貌。使用X射线能谱仪对夹杂物进行选区分析,如图5和图6所示,主要含有S、Mn两种元素,分析结果见表2。

图4 断口及带状组织形貌

图5 Mn-S系夹杂物微观组织形貌

图6 Mn-S系夹杂物能谱分析

表2 Mn-S系夹杂物能谱分析结果

针对带状组织,其形成的内因是钢的成分偏析,由于在出钢前钢水中加入了合金元素与脱氧剂,未经充分搅拌和严格的后续处理,未能有效去除有害气体与非金属夹杂物,因而在钢锭或连铸坯内存在C、Si、Mn、P、S及合金元素的偏析和非金属夹杂物,使得钢带板坯局部以其为晶核,形成树枝状偏析,经轧制后变为条带偏析。带状组织形成的外因和其压延工艺有关,带状组织的形成与钢的变形程度和钢在奥氏体转变时的冷却速度有关,变形程度越大,带状组织分布越广泛,缓慢的冷却速度为C的扩散提供了充分的时间,使带状组织趋于严重,加快冷却速度则抑制了C的扩散,带状组织较为轻微。

针对观察到的少量沿晶断裂形貌,分析认为S的存在导致了这种断裂形貌的产生。在988℃时,S在钢中与铁形成共晶体,当钢凝固时,FeS析出并集中在原生晶界处。钢在1 100~1 200℃进行轧制时,晶界上的FeS就将融化,大大削弱了晶粒之间的结合力,当样品受到冲击载荷作用时,沿晶界开裂,并出现部分沿晶断裂形貌 [5-6]

2.3 Mg-Ca-Al系夹杂物缺陷

选取含有Mg-Ca-Al系夹杂物的焊缝金相样品为观察对象,其夹杂物形貌如图7(a)所示。在图7(a)中可以清晰观察到焊缝区域存在明显的夹杂物,夹杂物宽度约为150 μm,长度约为900 μm; 将图7(a)中标注区域的夹杂物局部进行放大,可以观察到硬质颗粒团聚在一起的形貌,如图7(b)所示;使用X射线能谱仪对夹杂物进行分析,其硬质颗粒微观形貌如图8所示;夹杂物能谱如图9所示,通过分析发现夹杂物主要含有Mg、Ca、Al、O等元素,能谱分析结果见表3。

针对夹杂物的成分进一步分析其来源,认为此类夹杂物可能是原材料在冶炼过程中,冶炼炉中的耐火砖材料脱落,混入到原材料中形成,经过与供货方联系,了解到原材料主要使用电炉和氧气转炉进行冶炼,而这两种炉子内部主要使用的都是碱性耐火砖,其中更以镁质耐火砖为主,其主要成分含有碱性氧化物,如MgO和CaO等,其耐火温度高,对碱性渣和铁渣有很好的抵抗性,是一种重要的高级耐火砖。针对出现的此类质量问题,厂家也进行了深入分析,最终得出了与本研究一致的分析结论,耐火砖材料脱落导致母材原始夹杂物的产生 [7-8]

图7 夹杂物形貌

图8 硬质颗粒微观形貌

图9 Mg-Ca-Al系夹杂物能谱图

表3 Mg-Ca-Al系夹杂物能谱分析结果

2.4 焊缝热处理不良缺陷

选取存在热处理不良问题的焊缝冲击样品为研究对象,从断口低倍形貌上可以清楚地观察到断口没有明显的宏观塑性变形,断口平齐,剪切唇区域很小,如图10(a)所示;放大样品起裂区进一步观察,断口大部分区域为解理,呈现出典型的脆性断裂形貌,如图10(b)所示。对样品相同焊接位置的焊缝进行金相分析及硬度检验,发现焊接接头存在明显的腰鼓状形貌,如图10(c)所示;在 50倍及200倍的金相检验照片中,均能清晰的观察到焊缝区域存在一条白亮线,这是在高温焊接过程中出现的C烧损现象, 如图10(d)和图10(e)所示; 200 倍金相分析发现,焊缝处存在马氏体组织和少量贝氏体组织,热影响区为贝氏体和少量马氏体组织,母材组织为铁素体和珠光体组织。分别在焊缝、热影响区及母材进行硬度试验,试验结果见表4,可以看出焊缝硬度值最高,热影响区次之,母材硬度最低,焊缝区域和母材的硬度差大约近200 HV 10

图10 焊缝热处理不良试样金相分析照片

表4 试样显微硬度试验结果

分析认为,钢管焊接后,需经过焊缝热处理,但由于操作过程中,焊缝热处理工艺不当或未经过热处理,使焊接高温及高频电流集肤效应、邻近效应遗留下来的脱碳层、腰鼓现象比较明显,焊缝组织以马氏体为主,还分布有少量贝氏体,这些组织导致焊缝硬度过高,韧性下降,冲击试验时,断口沿焊缝断裂,并呈脆性断裂形貌 [9-10]

3 4种类型失效样品分析结果

通过使用S3700扫描电子显微镜及配套能谱仪对4种典型的失效样品进行了全面的分析,其中3种失效模式为夹杂物引发,通过对断口及夹杂物进行形貌观察,结合能谱分析得出夹杂物类型分别为焊接过程中工艺控制不稳定引入的Mn-Si系夹杂物、原材料冶炼过程中产生的带状组织、Mn-S系夹杂物以及冶炼炉中耐火砖材料掉落引入的Mg-Ca-Al系夹杂物。除了由夹杂物引发的失效外,有一种失效模式是由焊缝热处理不良导致。

通过对4种样品电镜图片的分析可知,不同的夹杂物其形状、大小、分布状态存在很大差异。Mn-Si系夹杂物主要团聚在一起,外形不规则,多数呈现多边形,且有明显的棱角,尺寸约10~25 μm。Mn-S系夹杂物呈现带状分布,宽度约1.2 mm,长度方向贯穿整个样品,层次分明,中部区域比较光滑,两侧为典型的脆性断口。Mg-Ca-Al系夹杂物集中分布在母材区域,其宽度约为150 μm,长度约为900 μm,将夹杂物局部进行放大,可以观察到硬质颗粒团聚在一起的形貌。焊缝热处理不良则贯穿整条焊缝,硬度宏观照片上可以观察到焊接接头区域存在明显的腰鼓状形貌,金相照片上则观察到明显的碳元素烧损现象,母材与焊缝区域硬度值相差较大。

4 夹杂物对焊接质量的影响

由于高频电阻焊加热部位仅形成了熔融状态,未形成真正意义上的熔池,所以焊接浮渣能力较弱,钢板中的边缘缺陷易保留在其形成的焊缝中。通过分析,发现焊缝中分布着由Mn、Si、Al、Ca、S等元素形成的各类夹杂物,一方面破坏了金属的连续性,另一方面夹杂物的硬度与基体金属有很大差别,破坏了焊接接头的均匀性,导致其冲击韧性不达标,降低了焊接接头的综合力学性能。由于工艺控制不严格,在焊缝区域形成了大量高硬度、高脆性的低碳马氏体组织,在其形成过程中,极易产生裂纹,因此断口呈现高脆性的解理形貌,样品宏观冲击韧性下降非常明显。因此,生产过程中应该从原材料采购、焊接及热处理工艺等方面严格控制,以保障焊接接头的综合性能。

5 结论及建议

本研究采用扫描电镜及配套的能谱仪对HFW焊接过程中容易出现的几种焊接缺陷进行了全面分析,得出的结论和建议如下:

(1)由于焊接工艺过程控制不当,HFW焊缝失效形式主要是Mn-Si系夹杂物及焊缝热处理不良。针对存在Mn-Si系夹杂物的现象,建议在焊接过程中严格控制工艺参数,调整相应热输入及挤压量,进而使坡口两侧的夹杂物完全挤出,避免产生此类焊接不良现象;针对焊缝热处理不良则建议加强工艺过程控制,避免此类现象产生。

(2)由于母材原材料质量问题导致的焊缝失效形式主要是Mn-S系带状组织及Mg-Ca-Al系耐火砖材料混入,建议加强入厂原料的检验,降低由于原材料不合格导致的管体失效概率。

参考文献:

[1]谈猛.HFW焊管高频感应焊接的研究应用[N].世界金属导报,2014-3-18(13).

[2]胡松林.高频焊管制造技术的进步[J].钢管,2016,45(4):1-6.

[3]陈霞,周家林,常庆明,等.高频焊接钢管工艺参数的研究[J].热加工工艺,2009(38):5-7.

[4]黄一新,尹雨群,李晶,等.X70管线钢中夹杂物控制试验研究[J].江苏冶金,2007(5):29-31.

[5]张春林,陈燕军,杨宴斌.钢带的带状组织对HFW焊管焊接质量的影响[J].焊管,2013,36(2):67-70.

[6]肖国章,高霞,李六五.带钢质量对HFW焊管质量的影响[J].焊管,2010(4):56-58.

[7]常桂华,栗红,陈本文,等.管线钢冶炼过程夹杂物行为研究[J].冶金丛刊,2009(2):9-11.

[8]张志钢,刘乐.钢板中夹杂物对高频电阻焊管质量影响浅析[J].无损检测,2006(6):53-54.

[9]李景学.HFW焊管焊接质量的影响因素分析及应对措施[J].焊管,2011,34(2):54-62.

[10]毕洪运,陆明和.ERW直缝焊管焊缝形态与金相检验评价[J].宝钢技术,2006(3):26-29.

LU Lin 1,2
(1.Chinese National Engineering Technology Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China;2.Steel Pipe Reseaych Insitute of Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China)

Abstract: In order to provide a basis for qualitative and semi-qualitative analysis of high-frequency electric resistance welding(HFW)welded pipe defects,in this study,the HFW welded pipe was used as the research object.At the same time,the scanning electron microscopy(SEM)combined with X-ray energy spectrometer was used to analyze micromorphology and composition analysis of various defects in the welding process,such as Mn-Si inclusions,Mn-S inclusions and Mg-Ca-Al inclusions.Through comprehensive analysis,the main reason for the initiation of fracture was found.It was found that the inclusions destroyed the continuity and uniformity of the weld joint metal,thus reducing the plastic toughness and comprehensive mechanical properties of the welded joint.Finally,in response to these problems,preventive measures were proposed.

Key words: scanning electron microscopy;high-frequency electric resistance welding;defect;inclusion

Application of SEM in the Analysis of Defects in HFW Welding

DOI: 10.19291/j.cnki.1001-3938.2018.08.010

文献标识码: B

作者简介: 芦 琳(1985—),女,硕士,目前主要从事材料微观组织性能研究工作。

中图分类号: TG401

收稿日期: 2018-04-12

修改稿收稿日期: 2018-05-07

编辑:张 歌