焊接芯軸斷裂失效分析

1、背景資料1.1失效件斷口形貌焊接芯軸斷裂失效分析某公司送來斷裂失效芯軸樣品，據(jù)該公司相關(guān)人員介紹斷裂失效發(fā)生在焊縫位置。送檢斷裂芯軸樣品宏觀形貌如圖1和圖2所示。要求分析套筒與芯軸焊縫在使用過程中發(fā)生斷裂的原因。限于斷裂后失效件的采集受限，廠方僅送檢一半失效件（芯軸）；另外從已焊接完成而未斷的實際產(chǎn)品上線切割制取了含完整焊縫的試樣，如圖3所示。送檢樣品宏觀形貌（a）焊縫正面蹇失效件成分及性能值見下* A中的局部放大” F, ?|JB圖3含完整焊縫的試樣士，腫J _1分?jǐn)?shù)%材料為27SiMn鋼，芯軸材料為及力學(xué)性能由該公司提供，具體數(shù)試驗項目CMnSiSPCrNiCu0.241.11.1保證值0

2、.030.030.321.41.40.250.300.2555表2 27SiMn鋼的力學(xué)性能試驗項目(T b( MPa(T s( MPaA( %Z一般值9808354012表3 20#鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）(%試驗項CMnSiSPCrNiCu目1 27SiMn鋼的化學(xué)成分（0.170.350.17保證值0.030.030.240.650.370.250.250.2555表4 20#鋼押勺力學(xué)性能試驗項目(T b( MPa(T s( MPaA(%Z一般值370-52021527241.3失效件的結(jié)構(gòu)套筒與芯軸的焊接結(jié)構(gòu)如圖所示，坡口形式見圖。焊接采用1.2焊絲JM-58，焊接時適宜的 焊接參數(shù)為

3、 l=235300A, U=2832V Q=1520L/min。圖4芯軸套筒焊接結(jié)構(gòu)形式剖面圖二、斷裂失效分析的思路11. 現(xiàn)場基本情況調(diào)查，調(diào)查了解斷裂失效件的有關(guān)情況和使用歷史情況。2. 失效分析的初步判斷，根據(jù)失效件的使用情況、工作環(huán)境、宏觀特征等進(jìn)行初步的判斷，為 后續(xù)的實驗分析做準(zhǔn)備。3.建立具體的分析思路并實施工作程序，主要包括化學(xué)成分分析、力學(xué)性能分析、顯微硬度分 析、顯微金相組織分析、斷口分析等。4.斷裂失效機理綜合分析階段，根據(jù)基本分析結(jié)論的提示，研究斷裂失效件的設(shè)計、生產(chǎn)和工 作過程中與失效相關(guān)的內(nèi)外因素以及失效機理。5.排除斷裂失效措施研究階段，根據(jù)其產(chǎn)生的斷裂失效機理，

4、研究出切實、有效、可行的方案, 減少或防止類似事故的再次發(fā)生。三、現(xiàn)有資料分析3.1材料檢驗利用GP1000光譜分析儀器對送檢的完整焊縫及兩邊母材進(jìn)行化學(xué)成分分析，測試結(jié)果見表5。表5送檢樣品焊縫及母材的化學(xué)成分測定結(jié)果（）試樣CSiMnPSCrNiCu20#l 岡0.4780.2380.720.0160.0130.0640.0010.00527SiM n0.3041.1461.3370.0130.0110.0950.020.108焊縫0.2070.6471.1130.0150.0110.0650.0020.065通過對比表1、表3與表5可以明顯發(fā)現(xiàn)：芯軸化學(xué)成分與廠方所提供的標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)（20#

5、鋼）不符，標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)的碳含量上限是0.24,但是實際采用的材質(zhì)碳含量高達(dá) 0.478，嚴(yán)重超標(biāo)。如此高的碳含量，嚴(yán)重惡化了焊接性，但廠家依然按照 20#鋼的焊接工藝進(jìn)行焊接，是焊縫失效的重要原 因；碳當(dāng)量法是一種粗略評價低合金鋼冷裂紋敏感性的方法， 由于焊接熱影響區(qū)的淬硬及冷裂傾向 于化學(xué)成分直接有關(guān)， 所以可以用化學(xué)成分來評估冷裂紋敏感性的大小， 進(jìn)而初步判斷材料的焊接 性的好壞。下面利用公式 Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 計算可以得出 20#的碳當(dāng)量為0.61133,27SiMn的碳當(dāng)量為0.5537，顯然20#的焊接性相對于27SiMn差一些2。3.2

6、 結(jié)構(gòu)設(shè)計由圖 4芯軸套筒焊接結(jié)構(gòu)形式剖面圖可以發(fā)現(xiàn)， 為了便于安裝定位， 芯軸采用過盈配合的軸肩 設(shè)計。安裝的過程中，過盈配合會存在較大的安裝應(yīng)力。另外在焊接過程中，軸肩位置也可能會產(chǎn)生未焊透，或者是12mn長的軸肩沒有完全焊透，就會在未焊透的尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中。上述兩種情 況都在不同程度上造成了后續(xù)使用過程中芯軸的斷裂失效，因為應(yīng)力集中位置，極易產(chǎn)生微裂紋， 最終誘發(fā)焊接件的失效開裂。為了有效的避免產(chǎn)生應(yīng)力集中， 我們可以采用專門的定位裝置， 從而取消定位軸肩結(jié)構(gòu)。 為此，5。我建議采用車床上面的三抓卡盤進(jìn)行定位， 這樣有效的避免了軸肩結(jié)構(gòu)， 從而減小了應(yīng)力集中， 極 大地減輕了應(yīng)力集中誘發(fā)

7、產(chǎn)生的裂紋，具體的結(jié)構(gòu)形式及裝夾方式見圖圖 5 三抓卡盤式焊接定位裝夾裝置示意圖3.3 宏觀組織分析從送檢的斷裂失效件和廠家送檢的完整焊縫上分別截取斷口加工制備金相試樣。 金相試樣制備 是在金相砂紙上磨至2000#，然后拋光，洗凈后用4%硝酸酒精溶液浸蝕，在 VHX-600K型超景深三 維顯微系統(tǒng)下進(jìn)行組織和宏觀斷口形貌觀察。圖 6 焊縫宏觀端口形貌由圖 6可以明顯發(fā)現(xiàn)， 焊縫中存在大面積的未焊透， 導(dǎo)致焊縫底部處于三向應(yīng)力狀態(tài)， 產(chǎn)生較 大的應(yīng)力集中。 同時還可以發(fā)現(xiàn)， 在焊縫中有氣孔和夾雜物， 這些焊接缺陷的存在嚴(yán)重削弱了焊縫 的力學(xué)性能。3.4 顯微組織分析送檢的斷裂失效件和廠家送檢的完

8、整焊縫上截取試樣進(jìn)行分析。斷裂面經(jīng)丙酮超聲波清洗后， 采用JXA-8800R型電子探針對斷口形貌進(jìn)行觀察。圖 7 斷口形貌圖由上圖可以明顯看出貝紋線， 確定為疲勞斷裂。 焊縫表層以及近母材位置的未焊透區(qū)域都可以發(fā)現(xiàn)疲勞源，疲勞源處由于不斷的擠壓、摩擦，照片上顯示非常光亮。此焊縫為多個疲勞源共存， 但是啟裂順序需要進(jìn)一步的驗證?？梢酝ㄟ^硬度試驗，確定最先啟裂的位置。四、下一步分析計劃4.1 金相分析借助掃描電子顯微鏡確定多個裂紋源的具體位置和擴展路徑。 分別在斷裂源及擴展路徑處， 按 照國家標(biāo)準(zhǔn)選取、制備、加工試樣進(jìn)行組織觀察，最終確定裂紋的啟裂位置。4.2 硬度分析取金相測試后的試樣，采用 H

9、VS-10Z（型硬度計對送檢樣品進(jìn)行硬度測試。通過測量硬度，我 們可以明顯發(fā)現(xiàn)裂紋源。同時通過對比不同裂紋源處的硬度值，可以確定出裂紋的啟裂順序。4.3 X 射線衍射用 X 射線無損檢測， 明確該結(jié)構(gòu)設(shè)計是否會引起未焊透， 判別焊接工藝參數(shù)選取是否合理， 焊 接是否存在不當(dāng)操作。五、斷裂失效原因綜合分析焊接芯軸的斷裂失效是由于各方面的綜合作用最終造成的， 下面就幾個方面說明斷裂失效的主 要原因：1. 結(jié)構(gòu)設(shè)計方面：定位軸肩引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，加之在未焊透時，該處在三向應(yīng)力作用下， 收到拉彎組合下的交變應(yīng)力作用，很容易導(dǎo)致低應(yīng)力下的疲勞斷裂。2. 選材及工藝方面： 20#鋼的材質(zhì)中碳含量嚴(yán)重偏離

10、標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)上限，如此高的含碳量嚴(yán)重的惡化了焊接性。但是， 此時依舊按照原先的焊接工藝施焊， 焊接質(zhì)量嚴(yán)重下降，達(dá)不到所要求的力學(xué) 性能。3. 焊工技能方面： 焊縫中存在大面積的未焊透， 產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中， 使得焊縫的力學(xué)性能急 劇下降，承載能力減弱。在較為嚴(yán)酷的工作環(huán)境下，發(fā)生失效在所難免。4. 安裝使用及環(huán)境因素： 由于定位軸肩的存在， 在組裝焊接的裝配過程中， 很容易產(chǎn)生殘余應(yīng) 力。嚴(yán)酷苛刻的工作環(huán)境下， 在交變載荷的作用下長期工作， 以及工作過程中使用不當(dāng)造成的重心 偏移，疲勞強度下降，極易引起疲勞斷裂失效 3 。六、焊接芯軸斷裂失效預(yù)防措施1 加強焊接檢驗，盡可能達(dá)到百分百探傷。2加強焊工的技能培訓(xùn)，定期進(jìn)行焊工職業(yè)技能的在學(xué)習(xí)以及焊工技能大賽等，提高焊工焊 接水平。3加強材料采購方面的管理，對進(jìn)場的材料進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢測，避免不合格材質(zhì)流入生產(chǎn) 車間。4. 改善對定位軸肩的設(shè)計， 采用類似上述的定