何 軍,王浩宇,王東曄,代富玖,丁亞紅

[中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,成都 ６１００９１]

摘 要:某飛機(jī)用１Cr１８Ni９Ti不銹鋼管在進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)時(shí)焊接接頭發(fā)生斷裂.通過宏觀分析、微觀分析、金相檢驗(yàn)等方法,對(duì)焊接接頭的斷裂原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:焊接結(jié)構(gòu)不合理

(焊接熱影響區(qū)處于截面過渡位置),是導(dǎo)致該１Cr１８Ni９Ti不銹鋼管焊接接頭疲勞壽命降低的主要原因;焊接區(qū)域存在未焊透情況,需要對(duì)焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化.

關(guān)鍵詞:彎曲疲勞;焊接接頭;焊接熱影響區(qū);疲勞壽命;焊接工藝

中圖分類號(hào):TG１１５ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１９)０７Ｇ０４８３Ｇ０４

１Cr１８Ni９Ti不 銹 鋼 管 因 其 具 有 良 好 的 防 腐性能和焊 接 性 能,常 用 來 制 造 飛 機(jī) 排 油 管、排 汽管等裝置.某不銹鋼管組 合 件,管 子 與 管 接 頭 材料均為 １Cr１８Ni９Ti不 銹 鋼,采 用 手 工 鎢 極 氬 弧焊焊接 而 成. 該 組 合 件 在 進(jìn) 行 旋 轉(zhuǎn) 彎 曲 疲 勞 試驗(yàn)時(shí),未 達(dá) 到 技 術(shù) 規(guī) 范 要 求 的 疲 勞 壽 命 即 發(fā) 生斷裂 .為 找 出 該 不 銹 鋼 管 斷 裂 的 原 因 ,筆 者 對(duì) 其

進(jìn)行了 一 系 列 檢 驗(yàn),以 期 杜 絕 此 類 事 故 的 再 次發(fā)生.

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 宏觀分析

管子斷裂后的整體宏觀形貌如圖１所示,斷裂位置位于導(dǎo)管與管子接頭焊接位置截面過渡處.

將管子接頭沿縱向剖開,宏觀形貌如圖２所示,管子接頭斷口呈皿狀.另外,其焊接部位的內(nèi)表面還可見一條周向分布的縫隙,該處為導(dǎo)管與管子接頭的對(duì)接部位,說明導(dǎo)管與管子接頭存在未焊透現(xiàn)象.

斷口的宏觀形貌如圖３所示,可見斷口較為平坦,未發(fā)生明顯的塑性變形,可觀察到明顯的疲勞弧線特征.從弧線收斂方向可以確定疲勞起源于管子外表面,呈多源特征.此外,焊接區(qū)域均未見裂紋、氣孔、夾渣咬邊和焊瘤等焊接缺陷.

１．２ 微觀分析

將縱向剖開的管子接頭置于掃描電鏡下觀察其 斷 口 形 貌 ,如 圖４~６所 示 .從 裂 紋 棱 線 擴(kuò) 展 方向可知裂紋 起 源 于 縱 向 剖 面 的 左 側(cè) 外 表 面,斷 裂棱線從源區(qū)沿４５°方向斜向下擴(kuò)展(如圖４中虛線箭頭所示).縱 向 剖 面 的 中 部 和 右 側(cè) 斷 口 為 裂 紋的擴(kuò)展區(qū),斷 裂 棱 線 沿 半 徑 方 向 由 外 表 面 指 向 內(nèi)表面(如圖５和圖６中虛線箭頭所示).在上述裂

紋的擴(kuò)展區(qū)中觀察到連續(xù)分布的疲勞條帶,如圖７所示.以上 結(jié) 果 表 明,管 子 接 頭 的 疲 勞 裂 紋 是 從剖面左側(cè)外 表 面 起 源,沿 著 皿 狀 曲 面 的 路 徑 擴(kuò) 展至剖面右側(cè).

１．３ 金相檢驗(yàn)

為了分析焊接熔池、熱影響區(qū)和母材的顯微組織特征,取管子接頭縱向剖面制備金相試樣.同時(shí),對(duì)不同部位的顯微硬度進(jìn)行測(cè)試,每個(gè)部位均測(cè)試３次 后 取 平 均 值 標(biāo) 注 在 顯 微 組 織 形 貌 上,如 圖 ８所示.

由圖８可以進(jìn)一步得知,疲勞裂紋起源位置正好處于焊接熱影響區(qū),同時(shí)也是焊接結(jié)構(gòu)截面過渡位置,而疲勞裂紋擴(kuò)展到剖面右側(cè)的位置則屬于導(dǎo)管的母材區(qū).

２ 分析與討論

斷裂管子接頭的宏觀分析表明,斷口均較為平坦,未發(fā)生明顯的塑性變形,有明顯的疲勞弧線;微觀分析可知擴(kuò)展區(qū)中有連續(xù)分布的疲勞條帶,為典型的疲勞特征.據(jù)此可以判斷該不銹鋼管的失效模式為疲勞斷裂.通過斷口形貌分析和金相檢驗(yàn)結(jié)果可知,斷裂管子接頭的疲勞裂紋均起源于焊接的熱影響區(qū)(同時(shí)也是焊接結(jié)構(gòu)的截面過渡位置),然后逐漸擴(kuò)展到導(dǎo)管母材,最終發(fā)生斷裂.這是因?yàn)楹附拥臒嵊绊憛^(qū)屬于焊接結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),且該處的截面過渡產(chǎn)生了一定的應(yīng)力集中效應(yīng),兩種因素疊加導(dǎo)致疲勞裂紋在該處形核[１Ｇ３].由此說明,焊接結(jié)構(gòu)不合理(焊接熱影響區(qū)正好處于截面過渡位置),是導(dǎo)致焊接件疲勞壽命降低的主要原因.

此外,管子接頭的皿狀斷口形貌也反映出截面過渡所產(chǎn)生的應(yīng)力集中效應(yīng).這是因?yàn)閺澢诹鸭y的擴(kuò)展方向總是與拉伸正應(yīng)力的方向相垂直,所以對(duì)于截面突然發(fā)生變化的圓棒(管),其斷面往往形成皿狀斷口.

奧氏體不銹鋼有很多優(yōu)點(diǎn),但在焊接過程中往往會(huì)出現(xiàn)一些影響材料性能的缺陷,比如產(chǎn)生嚴(yán)重的焊接接頭晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕,以及出現(xiàn)熱裂紋。

現(xiàn)象[４Ｇ７]等.對(duì)管子接頭的焊接質(zhì)量進(jìn)行檢查,除內(nèi)表面存在不同程度的未焊透缺陷,均未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔、夾渣、咬邊、焊瘤、晶間腐蝕等焊接缺陷,斷口也未發(fā)現(xiàn)沿晶特征,說明未產(chǎn)生晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、熱裂紋開裂等缺陷.值得注意的是,盡管導(dǎo)管與管子接頭的對(duì)接部位未焊透,但疲勞裂紋并未在未焊透的縫隙處起源,說明焊接工藝缺陷對(duì)裂紋的產(chǎn)生無直接影響.

通過上述 分 析 可 知,焊 接 結(jié) 構(gòu) 不 合 理 是 導(dǎo) 致管子疲勞壽命降低的根本原因.為此筆者設(shè)計(jì)更改了焊接結(jié) 構(gòu),在 不 改 變 構(gòu) 件 長(zhǎng) 度 和 管 子 接 頭 形狀的情況下,延長(zhǎng)管子接頭的機(jī)加工長(zhǎng)度,使其與管子對(duì)接 處 無 截 面 突 變 焊 接,如 圖 ９ 所 示.將 手工鎢極氬弧焊改 為 自 動(dòng) 氬 弧 焊(不 填 絲)工 藝,為確保焊接接 頭 處 圓 滑 過 渡,將 管 子 接 頭 設(shè) 計(jì) 凸 臺(tái)作為焊縫填 充 金 屬,其 中 凸 臺(tái) 高 度 要 選 用 合 適 尺寸,并通過優(yōu)化工藝驗(yàn)證,確定滿足焊接質(zhì)量要求的工藝參數(shù).通過以上焊接結(jié)構(gòu)和焊接工藝的優(yōu)化改進(jìn)后,該１Cr１８Ni９Ti不銹鋼管組合件通過了彎曲疲勞試驗(yàn).

３ 結(jié)論及建議

該１Cr１８Ni９Ti不銹鋼管的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂,裂紋起源于焊接熱影響區(qū)的截面過渡位置,并擴(kuò)展至母材最終發(fā)生斷裂.焊接結(jié)構(gòu)不合理(焊接熱影響區(qū)正好處于截面過渡位置),是導(dǎo)致該不銹鋼管疲勞壽命降低的主要原因.

建議對(duì)該不銹鋼管組合件的結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行設(shè)計(jì),使其管子與管子對(duì)接處無截面突變;并且優(yōu)化焊接工藝,使其滿足使用要求.

在２０倍低倍顯微鏡下檢查試樣表面有無點(diǎn)蝕坑,一般要求試樣表面無明顯的點(diǎn)蝕坑.試樣邊緣點(diǎn)蝕一般可以忽略,除非技術(shù)規(guī)格書中有特殊要求(如評(píng)估試樣端部紋理點(diǎn)蝕敏感度).

（文章來源：材料與測(cè)試網(wǎng)-理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)>2019年>7期> pp.483）