40Cr鋼法蘭焊接接頭斷裂原因分析

40Cr鋼法蘭焊接接頭斷裂原因分析彭西洋;王春芬;李雪峰【摘要】Thereasonsoffractureof40Crweldingflangewereanalyzedonthebasisofmacroobservation,metallurgical,chemicalcompositionanalysis,etc.Theresultsshowedthatthe40Crweldingflangeexistedthedefectsofrootcrack,toecrack,lackoffusion,andincompletepenetration,etc.Therootcrackwillexpendundertheexertingofthestress,leadingtofractureduringapplication.Therootcrackcausedbyimproperweldingoperationwasthemaincauseforfractureatearlystage.Thepaperalsoproposedtheimprovementsuggestionforweldingprocess.%通過(guò)宏觀觀察、金相分析和化學(xué)成分分析等方法，對(duì)40Cr鋼法蘭焊接接頭的斷裂原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明,40Cr鋼法蘭焊接接頭存在根部裂紋、焊趾裂紋、未熔合和未焊透等焊接缺陷，在應(yīng)力的作用下，根部裂紋發(fā)生擴(kuò)展，造成接頭在使用過(guò)程中發(fā)生斷裂.焊接工藝及操作不當(dāng)導(dǎo)致法蘭焊接接頭產(chǎn)生根部裂紋，是其發(fā)生早期斷裂的主要原因,并對(duì)焊接工藝提出了改進(jìn)建議.【期刊名稱】《新技術(shù)新工藝》【年(卷)，期】2012(000)006【總頁(yè)數(shù)】3頁(yè)(P77-79)【關(guān)鍵詞】40Cr鋼;焊接;根部裂紋;焊趾裂紋【作者】彭西洋;王春芬;李雪峰【作者單位】中國(guó)汽車(chē)工業(yè)工程公司工藝工程院沃津301600;中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，河南洛陽(yáng)471023;中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所,河南洛陽(yáng)471023【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TG406圖1法蘭斷口形貌某工程機(jī)械傳輸系統(tǒng)的連接部件由法蘭和連接件焊接而成。法蘭的材料牌號(hào)為40Cr鋼，內(nèi)徑為100mm，與其焊接相連的連接件材料牌號(hào)為40鋼，焊絲為ER50-6，采用全自動(dòng)氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，保護(hù)氣體為2%CO2和98%Ar的混合氣體，焊前未進(jìn)行預(yù)熱，焊后2h回火處理。該產(chǎn)品投入使用后不久，整機(jī)行程大約1000km時(shí)，在法蘭與連接件的焊接區(qū)域發(fā)生斷裂。人目艮觀察，斷口區(qū)域平整，未發(fā)現(xiàn)明顯的塑性變形和碰撞痕跡，斷口區(qū)域銹蝕嚴(yán)重，并沾有油污，如圖1所示。1試驗(yàn)方法分別在法蘭、連接件及焊縫區(qū)取化學(xué)試樣，用紅外C-S分析儀、ICP原子發(fā)射光譜等進(jìn)行化學(xué)分析。在斷口區(qū)域取金相試樣，用金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織分析。2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1材質(zhì)成分對(duì)法蘭、連接件和焊縫區(qū)取樣，測(cè)量其化學(xué)成分，結(jié)果見(jiàn)表1。法蘭化學(xué)成分符合GB/T3077-1999中對(duì)40Cr鋼的成分規(guī)定。連接件的化學(xué)成分符合GB/T699-1999中對(duì)40鋼成分的規(guī)定。焊縫區(qū)的化學(xué)成分相當(dāng)于GB/T8110-2008中ER50-6焊絲成分。表1法蘭、連接件和焊縫區(qū)域的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）試樣CSPSiMnCr法蘭測(cè)0.420.0130.0160.180.640.97GB/T30770.37-0.44<0.035<0.0350.17-0.370.50~0.800.8~1.10連接件0.410.0070.0120.230.620.048GB/T6990.37~0.44<0.035<0.0350.17~0.370.50~0.80<0.25焊縫區(qū)0.0810.0160.0130.8581.45GB/T81100.06~0.150.0750.0250.80~1.151.40~1.852.2宏觀分析法蘭與連接件焊縫橫斷面的宏觀形貌如圖2所示。從圖中可以看出，焊縫區(qū)為一道焊接成型，焊縫根部存在未熔合和未焊透缺陷，斷裂面分別穿過(guò)焊縫根部的熔合線、法蘭的熱影響區(qū)和焊縫區(qū)3個(gè)區(qū)域。在焊接接頭法蘭一側(cè)的焊趾處有一條長(zhǎng)2.0mm的裂紋。圖2焊縫橫斷面宏觀形貌（2x）2.3金相分析2.3.1拋光態(tài)法蘭試樣拋光后觀察發(fā)現(xiàn)，斷面上有氧化物覆蓋，在斷裂面附近有多條次生裂紋，裂紋呈折線型擴(kuò)展，內(nèi)部充滿了氧化物，氧化物較致密，形貌如圖3、圖4所示。法蘭一側(cè)焊趾處的焊趾裂紋形貌如圖5所示，裂紋內(nèi)也有灰色氧化物。2.3.2浸蝕態(tài)試樣經(jīng)4%硝酸酒精浸蝕后，觀察其金相組織。斷面法蘭一側(cè)熱影響區(qū)的金相組織為回火貝氏體+回火馬氏體+少量鐵素體，斷口處未發(fā)現(xiàn)脫碳現(xiàn)象，如圖6所示。法蘭焊趾處的裂紋在熱影響區(qū)距熔合線0.2mm處，如圖7所示。法蘭金相組織為回火索氏體+少量鐵素體，如圖8所示。連接件金相組織為珠光體+鐵素體+魏氏鐵素體，如圖9所示。焊縫區(qū)組織為鐵素體+細(xì)的珠光體，由于焊接后進(jìn)行過(guò)回火處理，所以焊縫區(qū)組織不具有典型的焊態(tài)組織特征，如圖10所示。3分析與討論法蘭和連接件采用全自動(dòng)氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，保護(hù)氣體為CO2和Ar的混合氣體，焊絲為ER50-6，焊前未進(jìn)行預(yù)熱處理，焊后進(jìn)行了回火處理。從焊縫的宏觀組織觀察可以看出，焊縫是一道焊接成型，坡口類型為V型，焊縫根部有未熔合和未焊透缺陷，斷裂面分別穿過(guò)焊縫根部的未熔合區(qū)、法蘭的熱影響區(qū)和焊縫3個(gè)區(qū)域。在法蘭一側(cè)還發(fā)現(xiàn)有焊趾裂紋。焊接接頭的低倍缺陷較多。連接件的金相組織為珠光體和鐵素體，而法蘭的金相組織為回火索氏體，由此可見(jiàn)，40Cr鋼法蘭是在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下進(jìn)行焊接的。法蘭盤(pán)斷裂面經(jīng)清洗后，表面依然覆蓋有厚而致密的氧化物層，無(wú)法用掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行觀察。斷口附近存在多條二次裂紋，裂紋內(nèi)也充滿了致密的氧化物，這種氧化物不同于常溫下在潮濕空氣中產(chǎn)生的鐵銹，通常達(dá)到一定溫度時(shí)才能產(chǎn)生，鋼在常溫下是很難發(fā)生氧化的［1］。40Cr鋼屬于中碳合金調(diào)質(zhì)鋼，有較大的焊接冷裂傾向［2-3］。在冷裂紋中氫致裂紋是最常見(jiàn)的一種，這種裂紋除與氫、應(yīng)力等條件有關(guān)外，還與材料及其組織狀態(tài)有密切的關(guān)系。這種鋼在不預(yù)熱的情況下焊接，粗晶區(qū)中幾乎不可避免地會(huì)出現(xiàn)孿晶馬氏體。孿晶馬氏體的存在減少了滑移系統(tǒng)，使晶內(nèi)難于產(chǎn)生塑性變形，受載時(shí)應(yīng)變易于向晶界集中。此外，鋼中較高的C含量促進(jìn)了S、P等雜質(zhì)元素向原奧氏體晶界偏析，雜質(zhì)元素在晶界的偏聚會(huì)使晶界發(fā)生弱化；另一方面，由于氫在晶內(nèi)孿晶馬氏體中擴(kuò)散速度較慢，從而易于沿著晶界進(jìn)行短路擴(kuò)散，最終使氫在晶界發(fā)生聚集，進(jìn)一步降低裂紋在晶界形核的應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋在低應(yīng)力下沿晶界萌生，并在應(yīng)力的作用下進(jìn)一步發(fā)生擴(kuò)展，從而產(chǎn)生低應(yīng)力下沿晶界脆斷［4］。根部裂紋和焊趾裂紋是常見(jiàn)的2種焊接冷裂紋。根部裂紋起裂于焊縫根部粗晶區(qū)的應(yīng)力集中處，隨后在焊縫金屬凝固收縮時(shí)造成的拘束應(yīng)力的作用下，裂紋逐漸向焊縫擴(kuò)展。焊趾裂紋發(fā)生在母材的焊趾處，因?yàn)楹钢翰粌H位于焊接接頭的粗晶區(qū)，而且也是應(yīng)力集中的區(qū)域，所以可能沿粗晶區(qū)擴(kuò)展，也可能垂直于拘束應(yīng)力方向向細(xì)晶區(qū)并逐步向母材擴(kuò)展。中碳鋼焊接時(shí)通常要進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后熱處理［5-7］。雖然有文獻(xiàn)指出，在采用大坡口，細(xì)焊絲、小電流、快速度、多層鋸齒擺動(dòng)焊時(shí)，可以取消熱處理工序，即利用短段多層焊使前層焊道未冷到較低溫度（Ms）就開(kāi)始焊接下一層焊縫。但是該文獻(xiàn)同時(shí)也強(qiáng)調(diào)，要取消焊前預(yù)熱及焊后熱處理，必須要嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)，并且為保證焊接的穩(wěn)定性，一般要采用焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接［8］。由此可以看出，并不是在所有情況下都可以取消焊接的熱處理工序。而對(duì)被檢焊接件，因?yàn)榧任催M(jìn)行熱處理，又采用V型坡口和大電流一次成型工藝，嚴(yán)重違反了40Cr鋼的焊接特性，所以產(chǎn)生了根部裂紋、焊趾裂紋、未熔合和未焊透等焊接缺陷。ER50-6焊絲的適用范圍較廣，對(duì)母材金屬的清潔程度要求不高，是常用的焊接材料，也是40Cr鋼焊接時(shí)經(jīng)常選用的焊材之一。保護(hù)氣體采用CO2和Ar的混合氣體，具有焊縫金屬韌性好和工藝效果好的優(yōu)點(diǎn)，所以也在焊接時(shí)普遍使用。因此，焊絲和保護(hù)氣體不是焊接缺陷產(chǎn)生的主要原因。綜上所述，40Cr鋼調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的焊接性較差，需要制訂嚴(yán)格的焊接工藝，并要嚴(yán)格執(zhí)行。正是由于該40Cr鋼法蘭的焊接未按其焊接性制訂并執(zhí)行嚴(yán)格的工藝，導(dǎo)致產(chǎn)生焊接冷裂紋、未熔合和未焊透等焊接缺陷，并且根部裂紋在組織應(yīng)力和使用應(yīng)力的作用下發(fā)生擴(kuò)展，最終發(fā)生斷裂。4結(jié)語(yǔ)1）焊接工藝不當(dāng)，致使焊縫根部產(chǎn)生根部裂紋，并在使用中發(fā)生擴(kuò)展，是40Cr鋼法蘭焊接接頭斷裂的主要原因。2）未熔合和未焊透缺陷及焊趾裂紋在一定程度上降低了焊接接頭的使用性能。3）焊接工藝及操作不當(dāng)是產(chǎn)生焊接缺陷的主要原因。5建議1）制訂合適的焊前預(yù)熱和焊后熱處理工藝并要求嚴(yán)格執(zhí)行。2）將坡口改為U型，以減少未熔合和未焊透等焊接缺陷。3）采用短段多層焊來(lái)保證焊接時(shí)的層間溫度，減少焊接的冷裂傾向。4）采用熱量集中的焊接方法和小的焊接線能量，并注意避免焊件表面的焊接缺陷和劃傷。5）在焊接工藝上注意填滿弧坑。焊后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，有困難，可進(jìn)行中間退火或在高于預(yù)熱的溫度下保溫一段時(shí)間，以排除擴(kuò)散氫并軟化組織。6）或選擇更換焊接材料時(shí)，應(yīng)保證熔敷金屬的成分與母材基本相近。參考文獻(xiàn)［1］王忠誠(chéng).熱處理常見(jiàn)缺陷分析與對(duì)策［M］北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.［2］劉群奇，李平.40Cr電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)軸軸頸的焊補(bǔ)及焊后加工工藝［J］.煤礦機(jī)械，2010（31）7：97-99.［3］孫燕.ZG270-500與40Cr的焊接［J］.焊接技術(shù)，2009,38（6）:58-59.［4］田燕.焊接區(qū)斷口金相分