分享：１Cr１８Ni９Ti不锈钢管焊接接头断裂原因分析

何 军,王浩宇,王东晔,代富玖,丁亚红

[中航工业成都飞机工业(集团)有限责任公司,成都 ６１００９１]

摘 要:某飞机用１Cr１８Ni９Ti不锈钢管在进行弯曲疲劳试验时焊接接头发生断裂.通过宏观分析、微观分析、金相检验等方法,对焊接接头的断裂原因进行了分析.结果表明:焊接结构不合理

(焊接热影响区处于截面过渡位置),是导致该１Cr１８Ni９Ti不锈钢管焊接接头疲劳寿命降低的主要原因;焊接区域存在未焊透情况,需要对焊接工艺进行优化.

关键词:弯曲疲劳;焊接接头;焊接热影响区;疲劳寿命;焊接工艺

中图分类号:TG１１５ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０７Ｇ０４８３Ｇ０４

１Cr１８Ni９Ti不 锈 钢 管 因 其 具 有 良 好 的 防 腐性能和焊 接 性 能,常 用 来 制 造 飞 机 排 油 管、排 汽管等装置.某不锈钢管组 合 件,管 子 与 管 接 头 材料均为 １Cr１８Ni９Ti不 锈 钢,采 用 手 工 钨 极 氩 弧焊焊接 而 成. 该 组 合 件 在 进 行 旋 转 弯 曲 疲 劳 试验时,未 达 到 技 术 规 范 要 求 的 疲 劳 寿 命 即 发 生断裂 .为 找 出 该 不 锈 钢 管 断 裂 的 原 因 ,笔 者 对 其

进行了 一 系 列 检 验,以 期 杜 绝 此 类 事 故 的 再 次发生.

１ 理化检验

１．１ 宏观分析

管子断裂后的整体宏观形貌如图１所示,断裂位置位于导管与管子接头焊接位置截面过渡处.

将管子接头沿纵向剖开,宏观形貌如图２所示,管子接头断口呈皿状.另外,其焊接部位的内表面还可见一条周向分布的缝隙,该处为导管与管子接头的对接部位,说明导管与管子接头存在未焊透现象.

断口的宏观形貌如图３所示,可见断口较为平坦,未发生明显的塑性变形,可观察到明显的疲劳弧线特征.从弧线收敛方向可以确定疲劳起源于管子外表面,呈多源特征.此外,焊接区域均未见裂纹、气孔、夹渣咬边和焊瘤等焊接缺陷.

１．２ 微观分析

将纵向剖开的管子接头置于扫描电镜下观察其 断 口 形 貌 ,如 图４~６所 示 .从 裂 纹 棱 线 扩 展 方向可知裂纹 起 源 于 纵 向 剖 面 的 左 侧 外 表 面,断 裂棱线从源区沿４５°方向斜向下扩展(如图４中虚线箭头所示).纵 向 剖 面 的 中 部 和 右 侧 断 口 为 裂 纹的扩展区,断 裂 棱 线 沿 半 径 方 向 由 外 表 面 指 向 内表面(如图５和图６中虚线箭头所示).在上述裂

纹的扩展区中观察到连续分布的疲劳条带,如图７所示.以上 结 果 表 明,管 子 接 头 的 疲 劳 裂 纹 是 从剖面左侧外 表 面 起 源,沿 着 皿 状 曲 面 的 路 径 扩 展至剖面右侧.

１．３ 金相检验

为了分析焊接熔池、热影响区和母材的显微组织特征,取管子接头纵向剖面制备金相试样.同时,对不同部位的显微硬度进行测试,每个部位均测试３次 后 取 平 均 值 标 注 在 显 微 组 织 形 貌 上,如 图 ８所示.

由图８可以进一步得知,疲劳裂纹起源位置正好处于焊接热影响区,同时也是焊接结构截面过渡位置,而疲劳裂纹扩展到剖面右侧的位置则属于导管的母材区.

２ 分析与讨论

断裂管子接头的宏观分析表明,断口均较为平坦,未发生明显的塑性变形,有明显的疲劳弧线;微观分析可知扩展区中有连续分布的疲劳条带,为典型的疲劳特征.据此可以判断该不锈钢管的失效模式为疲劳断裂.通过断口形貌分析和金相检验结果可知,断裂管子接头的疲劳裂纹均起源于焊接的热影响区(同时也是焊接结构的截面过渡位置),然后逐渐扩展到导管母材,最终发生断裂.这是因为焊接的热影响区属于焊接结构的薄弱环节,且该处的截面过渡产生了一定的应力集中效应,两种因素叠加导致疲劳裂纹在该处形核[１Ｇ３].由此说明,焊接结构不合理(焊接热影响区正好处于截面过渡位置),是导致焊接件疲劳寿命降低的主要原因.

此外,管子接头的皿状断口形貌也反映出截面过渡所产生的应力集中效应.这是因为弯曲疲劳裂纹的扩展方向总是与拉伸正应力的方向相垂直,所以对于截面突然发生变化的圆棒(管),其断面往往形成皿状断口.

奥氏体不锈钢有很多优点,但在焊接过程中往往会出现一些影响材料性能的缺陷,比如产生严重的焊接接头晶间腐蚀、应力腐蚀,以及出现热裂纹。

现象[４Ｇ７]等.对管子接头的焊接质量进行检查,除内表面存在不同程度的未焊透缺陷,均未发现裂纹、气孔、夹渣、咬边、焊瘤、晶间腐蚀等焊接缺陷,断口也未发现沿晶特征,说明未产生晶间腐蚀、应力腐蚀、热裂纹开裂等缺陷.值得注意的是,尽管导管与管子接头的对接部位未焊透,但疲劳裂纹并未在未焊透的缝隙处起源,说明焊接工艺缺陷对裂纹的产生无直接影响.

通过上述 分 析 可 知,焊 接 结 构 不 合 理 是 导 致管子疲劳寿命降低的根本原因.为此笔者设计更改了焊接结 构,在 不 改 变 构 件 长 度 和 管 子 接 头 形状的情况下,延长管子接头的机加工长度,使其与管子对接 处 无 截 面 突 变 焊 接,如 图 ９ 所 示.将 手工钨极氩弧焊改 为 自 动 氩 弧 焊(不 填 丝)工 艺,为确保焊接接 头 处 圆 滑 过 渡,将 管 子 接 头 设 计 凸 台作为焊缝填 充 金 属,其 中 凸 台 高 度 要 选 用 合 适 尺寸,并通过优化工艺验证,确定满足焊接质量要求的工艺参数.通过以上焊接结构和焊接工艺的优化改进后,该１Cr１８Ni９Ti不锈钢管组合件通过了弯曲疲劳试验.

３ 结论及建议

该１Cr１８Ni９Ti不锈钢管的断裂性质为疲劳断裂,裂纹起源于焊接热影响区的截面过渡位置,并扩展至母材最终发生断裂.焊接结构不合理(焊接热影响区正好处于截面过渡位置),是导致该不锈钢管疲劳寿命降低的主要原因.

建议对该不锈钢管组合件的结构重新进行设计,使其管子与管子对接处无截面突变;并且优化焊接工艺,使其满足使用要求.

在２０倍低倍显微镜下检查试样表面有无点蚀坑,一般要求试样表面无明显的点蚀坑.试样边缘点蚀一般可以忽略,除非技术规格书中有特殊要求(如评估试样端部纹理点蚀敏感度).

（文章来源：材料与测试网-理化检验－物理分册 > 2019年 > 7期 > pp.483）