分享：堆焊修复风机传动轴断裂失效的原因
摘 要:经长期运行后,某风机传动轴轴颈与套筒之间磨损严重,轴颈表面经堆焊修复后继续使 用,但不久出现断裂。通过宏观观察、化学成分分析、拉伸试验、硬度试验、显微组织观察和断口分 析等方法查找风机轴断裂的原因。结果表明:风机轴发生了低循环(高应力)下的多源疲劳断裂,在 断口边缘棘轮台阶处可见大量轮胎状压痕,经修复的风机轴轴肩表层显微组织和硬度出现异常,变 径处未加工的焊道焊趾加剧了轴肩的应力集中,在交变载荷作用下,键槽和焊道焊趾成为疲劳裂纹 源,在工作载荷作用下快速扩展直至风机轴发生断裂。
关键词:堆焊;风机传动轴;多源疲劳断裂;轮胎状压痕
中图分类号:TG142 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2021)11-0040-05
轴杆是机械产品中最重要的零件之一,工作条 件复杂,失效事故时有发生,失效形式也不尽相同, 加工、热处理、表面处理、装配、维修等环节出现问题 均可造成轴杆的早期失效[1-6],而突发性失效事件将 对企业造成重大的经济损失,并对人身安全构成严 重威胁。
增厚堆焊是通过熔敷一定厚度的金属,修复机 械设备工作表面磨损部分和金属表面残缺部分的一 种方法[7]。堆焊常被用于轴类零部件的表面增厚处 理,但涉及焊材选取、焊接电流、加热方式以及焊后 机械加工等环节,因此堆焊件经常发生不同形式的 失效问题。
国内某汽车厂在用的 MITSUYA风机,因长期 运行使用,该风机传动轴(简称风机轴)轴颈与套筒 之间出现严重磨损,无法满足配合需求而会发生相 互滑动,经表面堆焊修复继续使用几天后,风机轴出 现早期断裂,其堆焊焊接工艺不详。风机轴材料牌 号为S45C,制造与热处理工艺不明,风机轴出厂时 间超过10a,材料参数参考JISG4051-1979《机械 结构用碳素钢材》。经宏观观察初步判断断裂为多 源疲劳断裂,为进一步确认失效原因,对断裂风机轴 进行了宏观观察、化学成分分析、拉伸试验、硬度测 试、显微组织观察和断口分析。
1 理化检验
1.1 宏观观察
风机轴断口位于轴颈与轴身的变径位置(轴 肩位置),断裂风机轴的宏观形貌见图1。经测量, 风机轴轴身和轴颈直径分别为55mm 和60mm, 风机轴长度约为1100mm,取出轴颈套筒后发现 横跨 轴 颈 与 轴 身 的 键 槽 尺 寸 约 为 25 mm× 8mm×4mm。对轴颈侧断口进行观察发现,断口 表面无宏观塑性变形,断口表面齐平、光滑,沿断 口边缘分布有1号、2号、3号、4号共4个断裂棘 轮台阶,1号台阶起源于轴肩和键槽的交错位置, 图2a)方框处为最后断裂区。断口边缘可见由轴 颈表面向轴肩延伸的堆焊层,断口边缘沿堆焊焊 趾起伏分布,轴肩凹凸不平,根部未见圆角过渡, 见图2b)。采用体视显微镜观察断口,可见2号、3 号、4号共4个断裂棘轮台阶均起源于轴颈堆焊焊 趾位置,其中3号棘轮台阶可见沿焊趾向轴心方 向扩展的裂纹,见图2c)。轴颈外表面存在大量孔 洞缺陷,见图2d)。
1.2 化学成分分析
按照 GB/T4336-2016《碳素钢和中低合金 钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法 (常规法)》,对风机轴的化学成分进行分析,检测结 果均符合JISG4051-1979中对S45C钢的成分要 求,检测结果见表1。
1.3 拉伸试验
在风机轴半径的1/2处截取两个纵向拉伸试 样,按照GB/T228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第 1部分:室温试验方法》进行室温拉伸试验,试验结 果见表2。参考标准JISG4051-1979对S45C钢 正火态的力学性能要求,可见风机轴的屈服强度低 于标准要求的下限值,抗拉强度(Rm)和断后伸长率 (A)均符合标准要求。
1.4 显微组织观察
在轴颈位置截取横截面试样,在轴肩位置截 取纵截面试样,经4%(质量分数)硝酸酒精浸蚀 后,依据 GB/T13298-2015《金属显微组织检验 方法》,进行显微组织观察。图3为风机轴轴颈横 截面和轴肩纵截面的显微组织。经轴颈外表面堆 焊后,轴颈横截面最外层为网状铁素体+珠光体 的焊缝组织,见图3a)。焊缝内侧可见大量堆焊形 成的过热魏氏组织及淬硬马氏体组织,见图3b)。 轴颈心部为块状铁素体+珠光体组织,珠光体片 层结构清晰,局部严重偏析,见图3c)。观察轴肩 纵截面试样发现,经轴颈外表面堆焊后,轴肩两侧 为两种完全不同的显微组织,轴肩为针状/块状铁 素体+珠光体组织,轴肩根部轴身侧为贝氏体+ 珠光体 组 织,见 图 3d)和 图 3e)。根 据 标 准 JIS G4051-1979的热处理技术要求,轴的正常组织 应为铁素体+珠光体组织。
1.5 硬度试验
按照GB/T4340.1-2009《金属维氏硬度试验 第1部分:试验方法》,对轴肩纵截面进行维氏硬度 试验,测量结果见图4,左上角插图为检测位置示意 图。由图4可知,在轴肩过渡位置处硬度出现异常 变化,轴肩内层的硬度变化更加明显,靠近轴身侧硬 度明显偏高(300HV),较轴肩变径处的硬度高约 80HV,这超过JISG4051-1979标准要求的上限 值(240HV),为典型的硬化区。
1.6 断口分析
对图2a)所示的轴颈侧断口进行丙酮超声清洗 后,进行扫描电镜进行观察。由图5a)~c)可见,断 口整体较为齐平,断口边缘轴肩位置可见因堆焊后 车削加工造成的孔洞缺陷,轴肩可见沿根部分布的 细小裂纹,断口边缘可见沿堆焊焊趾向心部扩展的 裂纹台阶。由图5d)可见,断口边缘位置有许多棘轮状台阶,棘轮台阶附近可见大量轮胎状压痕,压痕 呈短程、有序分布,这种轮胎压痕表明风机轴发生了 低循环(高应力)疲劳开裂[8]。由图5e)可见,断口 扩展区表面的大量珠光体层片间呈解理形貌,并可 见解理台阶。由图5f)可见,断口最后瞬断区呈典 型的韧窝形貌特征。
2 分析与讨论
断裂风机轴的化学成分符合JISG4051-1979 的技术要求。通过宏观观察可见,轴颈和轴肩外表 面存在堆焊后车削加工造成的孔洞缺陷,断口表面无宏观塑性变形,断口齐平,边缘存在大量的棘轮台 阶,这些棘轮台阶即为断裂的起始点。由拉伸试验 结果可见,风机轴的屈服强度低于JISG4051- 1979对S45C钢(正火态)技术要求的下限值。通过 显微组织观察可见:轴颈横截面由外而内的组织分 别为网状铁素体+珠光体、魏氏组织铁素体、马氏体 组织、铁素体+珠光体组织,心部区域存在严重偏 析;轴肩为针状/块状铁素体+珠光体组织,轴肩根 部轴身侧则为贝氏体+珠光体组织。维氏硬度检测 结果表明,两侧区域测得的硬度存在明显差异。通 过轴颈断口分析可见:风机轴断口边缘处存在多处 棘轮台阶,台阶附近可见大量轮胎压痕,呈现多源的 低循环(高应力)疲劳断裂特征;断口边缘可见沿堆 焊层焊趾向轴心扩展的裂纹。
综上分析,在运行工况下,风机轴承受在皮带轮 预紧力作用下产生的弯曲应力和转动传动时产生的 剪切应力的共同作用,为典型的交变载荷。风机轴 经堆焊及加工维修后,局部焊道焊趾、孔洞缺陷和键 槽位置成为严重应力集中部位。同时,堆焊后轴肩 两侧的显微组织和硬度差异较大,容易在倒角处形 成应力集中,影响轴肩位置的抗疲劳性能。风机轴 轴颈最外层组织为针网状铁素体+珠光体组织,心 部组织严重偏析,进一步减弱了轴颈的抗疲劳性能, 最终在交变载荷作用下,风机轴在以上薄弱位置产 生疲劳裂纹源,并快速扩展直至发生断裂。
3 结论与建议
(1)风机轴轴颈堆焊及加工维修引起的轴肩位 置的显微组织和力学性能异常,在交变载荷作用下, 轴肩位置焊道焊趾、孔洞缺陷和键槽等高应力集中 部位产生疲劳裂纹源,快速扩展最终发生断裂。
(2)基于风机轴的断裂失效原因,针对轴类零 件表面堆焊修复提出以下几点建议:提高焊接质量, 避免轴表面和轴肩位置出现孔洞缺陷;轴肩应采用 圆角进行平缓过渡,避免应力集中;皮带预紧力应合 理设置,避免产生过大弯曲应力。
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