核心提示：伴隨著國際鐵礦石價格的大幅上漲，我國鋼鐵工業(yè)陷入微（薄）利時代。2010年我國大中型鋼鐵企業(yè)實際利潤897億元，銷售利潤率2.91%，遠(yuǎn)低于全國工業(yè)企業(yè)6.2%的平均水平，其中寶鋼380億元，占到利潤的42%，多數(shù)企業(yè)處于微利或虧損狀態(tài)。而鋼廠降成本的大頭在于降低合金和改變工藝路線。二流鋼廠的鋼板質(zhì)量大幅度下降，分層鋼板大幅增加，主要原因是調(diào)合金和工藝路線的簡化。采用“提碳降錳”，甚至Q345B也要預(yù)熱了，否則都可能有冷脆性裂紋產(chǎn)生。鋼板絕大多數(shù)用于加工，而焊條鋼又為鋼廠所生產(chǎn)，生產(chǎn)的鋼板改變了化學(xué)成份，改變了組織結(jié)構(gòu)，焊條鋼也改變了，兩者的改變，也會出現(xiàn)不匹配的現(xiàn)象。目前分層鋼板多，偏析嚴(yán)重鋼板多，焊接后問題多在所難免。對焊接工藝相當(dāng)調(diào)整，解決一些焊接后出現(xiàn)的問題，成為當(dāng)前的焦點之一。
鋼板分層與鋼板火切、焊接后的冷脆性裂紋，表現(xiàn)形式一般相同，都為板材中部的裂紋，從使用上來講，分層鋼板必須切除，整塊分層就整塊摘除，局部分層可以局部摘除。鋼板的冷脆性裂紋，表現(xiàn)的形式為中部開裂，有的人也稱之為“開裂”，為方便分析，定義為“冷脆性開裂”較為妥當(dāng)些，這種缺陷可以采用補(bǔ)救措施，用適當(dāng)焊接工藝來處理，不用報廢。
1、鋼板分層
分層是鋼板（坯）斷面出現(xiàn)局部的縫隙，使鋼板斷面形成局部層狀，是鋼材中的一種致命性缺陷，鋼板不得有分層，見圖1。分層亦稱夾層、離層，是鋼材的內(nèi)部缺陷。鋼錠（坯）內(nèi)的氣泡、大塊的非金屬夾雜物、未完全切除的殘余縮孔或發(fā)生折疊、嚴(yán)重的偏析均可能引起鋼材的分層，而不太合理的軋制壓下規(guī)程又可能使分層加劇。
圖1 鋼板分層
2、鋼板分層的種類
根據(jù)產(chǎn)生原因的不同，分層所表現(xiàn)的部位形態(tài)也不同，有的隱藏在鋼材內(nèi)部，內(nèi)表面與鋼材表面平行或基本平行；也有的延伸到鋼材表面,又在鋼材表面形成溝紋狀的表面缺陷。概括起來有2種形式：
第1種為開口型分層。這種分層缺陷在鋼材的斷口上宏觀就可發(fā)現(xiàn)，一般在鋼廠和制造廠里基本上能被復(fù)檢出來。
第2種為封閉型分層。這種分層缺陷在鋼材的斷口中看不到，在制造廠內(nèi)如果不進(jìn)行逐張鋼板100%超聲波探傷，亦難以發(fā)現(xiàn)，它是一種處于鋼板內(nèi)部的封閉型分層。這種分層缺陷從冶煉廠帶到制造廠，最后被加工制造成產(chǎn)品出廠。
分層缺陷的存在使分層區(qū)鋼板承受載荷的有效厚度減少，降低了與分層同方向受載的承載能力。分層缺陷的邊線形狀尖銳，對應(yīng)力作用非常敏感，會引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中。在運行過程中若有反復(fù)的加載、卸載、升溫、降溫，就會在應(yīng)力集中區(qū)形成很大的交變應(yīng)力,以致造成應(yīng)力疲勞。
3、冷裂紋的評估方法
3.1
由于焊接熱影響區(qū)的淬硬及冷裂紋傾向與鋼種的化學(xué)成分有關(guān)，所以利用化學(xué)成分間接地評估鋼材冷裂紋的敏感性。把鋼中合金元素的含量按其作用換算成碳的相當(dāng)含量，作為粗略評定鋼材冷裂傾向的一種參數(shù)指標(biāo)，即碳當(dāng)量法。對于低臺金鋼的碳當(dāng)量法，國際焊接學(xué)會（IIW）推薦公式：Ceq(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，
根據(jù)公式計算碳當(dāng)量的數(shù)值越大，被焊鋼材的淬硬傾向就越大，熱影響區(qū)越易產(chǎn)生冷裂紋。因此可以用碳當(dāng)量的大小來評定鋼材焊接性的優(yōu)劣，并按焊接性的優(yōu)劣提出防止產(chǎn)生焊接裂紋的最佳工藝條件。
當(dāng)使用國際學(xué)會推薦的公式時，若Ceq(IIW)＜0.4％，則淬硬傾向不大，焊接性良好，焊前不需要預(yù)熱；若Ceq (IIW)＝0.4％～0.6％，尤其是大于0.5％時，鋼材易淬硬．說明焊接性已變差，焊時需預(yù)熱才能防止焊接裂紋，隨板厚增大預(yù)熱溫度要相應(yīng)提高。
3.2
低合金高強(qiáng)鋼焊接時產(chǎn)生冷裂紋的原因除化學(xué)成分外，還有熔敷金屬中擴(kuò)散氫含量、接頭的拘束應(yīng)力等，日本伊藤等人采用斜Y形坡口鐵研試驗對200多個鋼種做了大量試驗提出了由化學(xué)成分、擴(kuò)散氫和拘束度(或板厚)所建立的冷裂紋敏感指數(shù)等公式，并用冷裂紋敏感性指數(shù)來確定防止冷裂紋所須的焊前預(yù)熱溫度。一般認(rèn)為，下述公式可用于碳含量不大于0.16%、抗拉強(qiáng)度為400～900MPa的低合金高強(qiáng)度鋼。
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標(biāo)準(zhǔn)測定的熔敷金屬擴(kuò)散氫含量（ml/100g）；
t——板厚（mm）；To——最低焊前預(yù)熱溫度（℃）。
計算出該厚度鋼板的焊接冷裂紋敏感性指數(shù)Pc，和不裂的最低焊前預(yù)熱溫度To約為多少度。計算結(jié)果To≥50℃時，該鋼板具有一定的焊接冷裂紋敏感性，要進(jìn)行預(yù)熱。
4、大型構(gòu)件冷脆性“開裂”的修復(fù)
鋼板焊接完成以后，某塊鋼板某部分開裂了，說是“分層”了，見下圖2，裂紋的形貌。焊接專家認(rèn)為修復(fù)工藝定義為“鋼板Z向裂紋的焊補(bǔ)工藝”為妥些。由于構(gòu)件很大，將此鋼板拆下，工作量大，再重新焊接一塊，極有可能整個構(gòu)件發(fā)生變形，整個構(gòu)件要報廢，損失很大。
圖2
圖3 分層鋼板探傷波形（圖2鋼板厚度35mm)
4.1、Z向裂紋發(fā)生原因及防止措施
由于切割、焊接產(chǎn)生的Z向裂紋屬冷裂。鋼板硬度及厚度越大，出現(xiàn)Z向裂紋幾率就越高。如何避免其發(fā)生，最佳方法是切割、焊接之前進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱的溫度取決于鋼板的等級和厚度。預(yù)熱可以通過切割槍、電子履帶加熱墊進(jìn)行，應(yīng)當(dāng)在加熱點的背面測量所需的溫度。（注：要使整個鋼板切割截面均勻受熱，以免接觸熱源的區(qū)域出現(xiàn)局部過熱的現(xiàn)象）采用預(yù)熱，可降低切割、焊接產(chǎn)生Z向裂紋的幾率。推薦各厚度預(yù)熱溫度及切割速度如下表：
鋼級 | 厚度 | 預(yù)熱溫度 |
Q345～Q（S）890等 | 10-30 | 100℃ |
30-49.9 | 150℃ | |
50-70 | 175℃ |
4.2、返修工藝
1、先用角磨機(jī)將裂紋處磨到看不見裂紋后，將補(bǔ)焊處周圍預(yù)熱到100℃左右再采用CO2焊（藥芯焊絲最佳）。焊完第一層，立即用圓錐錘敲擊焊縫，然后進(jìn)行下面各層的焊接，做到每焊完一層都要用錘敲擊焊縫。保證層間溫度≤200℃。
2、裂紋比較深的話，將補(bǔ)焊處周圍預(yù)熱到100℃左右，立即采用碳弧氣刨清根，再用角磨機(jī)打磨直至露出金屬光澤，（如果補(bǔ)焊處溫度不到100℃，要重新進(jìn)行預(yù)熱）然后焊接。
3、焊完后，用硅酸鋁棉或石棉將焊縫保溫，保溫時間≥2小時。
4、為保險起見對修復(fù)部位進(jìn)行超聲波探傷。
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