焊接芯軸斷裂失效分析

1、-. z.焊接芯軸斷裂失效分析背景資料1.1 失效件斷口形貌*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。ABABAB圖1 送檢樣品宏觀形貌圖2 送檢樣品圖1中的局部放大a焊縫正面b含完整焊縫試樣的側(cè)面圖3 含完整焊縫的試樣1.2 失效件成分及性能套筒材料為27SiMn鋼，芯軸材料為20#鋼，其化學(xué)成分以及力學(xué)性能由該公司提供，具體數(shù)值見下表。表1

2、27SiMn鋼的化學(xué)成分質(zhì)量分數(shù)%試驗工程CMnSiSPCrNiCu保證值0.240.321.11.41.11.40.0350.0350.250.300.25表2 27SiMn鋼的力學(xué)性能試驗工程bMPasMPaA%Z一般值9808354012表3 20#鋼化學(xué)成分質(zhì)量分數(shù)%試驗工程CMnSiSPCrNiCu保證值0.170.240.350.650.170.370.0350.0350.250.250.25表4 20#鋼的力學(xué)性能試驗工程bMPasMPaA%Z一般值370-52021527241.3 失效件的構(gòu)造套筒與芯軸的焊接構(gòu)造如下圖，坡口形式見圖。焊接采用1.2焊絲JM-58，焊接時適宜的

3、焊接參數(shù)為I=235300A，U=2832V，Q=1520L/min。圖4芯軸套筒焊接構(gòu)造形式剖面圖二、斷裂失效分析的思路11.現(xiàn)場根本情況調(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、宏觀特征等進展初步的判斷，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)根本分析結(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，研究

4、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展化學(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#鋼0.4780.2380.720.0160.0130.0640.0010.00527SiMn0.3041.1461.3370.0130.0110.0950.020.108焊縫0.2070.6471.1130.0150.0110.0650.0020.065通過比照表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#鋼不符，

5、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0.478，嚴重超標(biāo)。如此高的碳含量，嚴重惡化了焊接性，但廠家依然按照20#鋼的焊接工藝進展焊接，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 構(gòu)造設(shè)計由圖4芯軸套筒焊接構(gòu)造

6、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12mm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。為了有效的防止產(chǎn)生應(yīng)力集中，我們可以采用專門的定位裝置，從而取消定位軸肩構(gòu)造。為此，我建議采用車床上面的三抓卡盤進展定位，這樣有效的防止了軸肩構(gòu)造，從而減小了應(yīng)力集中，極大地減輕了應(yīng)力集中誘發(fā)產(chǎn)生的裂紋，具體的構(gòu)造形式及裝夾方式見圖5。圖5三抓卡盤式焊接

7、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VH*-600K型超景深三維顯微系統(tǒng)下進展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整焊縫上截取試樣進展分析。斷裂面經(jīng)丙酮超聲波清洗后，采用J*A-8800R型電子探針對斷口形

8、貌進展觀察。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、下一步分析方案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、加工試樣進展組織觀察，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HVS-10ZC型硬度計對送檢樣品進展硬度測試。通過測量硬度，我們可以明顯發(fā)現(xiàn)裂紋源。同時通過比照不同裂紋源處的硬

9、度值，可以確定出裂紋的啟裂順序。4.3 *射線衍射用*射線無損檢測，明確該構(gòu)造設(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.構(gòu)造設(shè)計方面：定位軸肩引起嚴重的應(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)中碳含量嚴重偏離標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)上限，如此高的含碳量嚴重的惡化了焊接性。但是，此時依舊按照原先的焊接工藝施焊，焊接質(zhì)量嚴重下降，達不到所要求的力學(xué)性能。3.焊工技能

10、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)生剩余應(yīng)力。嚴酷苛刻的工作環(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，盡可能到達百分百探傷。2加強焊工的技能培訓(xùn)，定期進展焊工職業(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，對進場的材料進展嚴格的質(zhì)量檢測，防止不合格材質(zhì)流入生產(chǎn)車間。4. 改善對定位軸肩的設(shè)