半轴套管摩擦焊接开裂的原因分析 |
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图2 焊缝剖面形貌(实物) (2)化学成分分析 在生产加工记录表中,追溯到该批45#半轴套管及510L板材的质量保证书,查阅到原材料批次号、材料牌号、圆钢直径。从库存中剩余的原材料上截取样块,以供化学成分检测。截取原材料样块尺寸为长25mm×宽25mm×厚15mm,进行化学成分检测,检测设备为Labspark5000精密直读火花光谱仪,分析结果见表1、表2。检查结果表明,原材料化学成分符合《GB/T3077—1999合金结构钢》标准要求。 表1 45钢化学成分分析结果(质量分数)(%) 45钢 C Si Mn Cr S P 实测值 0.468 0.205 0.633 0.028 0.011 0.009 GB/T3077 0.42~0.50 0.17~0.37 0.50~0.80 ≤0.250 ≤0.035 ≤0.035 表2 510L钢化学成分分析结果(质量分数)(%) 510L钢 C Si Mn S P 标准值 0.164 0.482 1.366 0.012 0.011 GB/T3077 0.12~0.20 0.20~0.55 1.20~1.60 ≤0.030 ≤0.030 (3)金相检验 1#区域为裂纹开口处紧靠焊缝熔合区一侧的部位,组织为珠光体及粗大断续网状分布的铁素体。图示上部有一颗黑色颗粒的晶间熔洞组织,这是非金属夹杂物熔融的孔洞。由于该处处于近焊缝区,产生的温度已经达到和超过非金属夹杂物熔化的温度(见图3)。 图3 裂纹开口部位(40×) 2#区域为裂纹开口处套管基体一侧的热影响区,由于受到焊缝的热影响及焊缝处低碳的内吸附,焊缝处的的碳浓度势必要趋于均匀,该热影响区碳势将会产生下坡扩散,碳原子向焊缝处扩散和迁移,造成该区基体碳浓度降低,珠光体量锐减以及铁素体量显著增加。图示高密度的网状铁素体已经被挤成细密的长条状,呈现严重的纤维组织。由拉长的网状组织可知,晶粒极为粗大,该部位属于摩擦焊缝的严重受热影响区(见图4)。 图4 裂纹开口部位(40×) 3#区域为半轴套管一侧的受热影响区,组织为珠光体及铁素体,晶粒较为细小。该部位的组织相当于完全正火处理后的组织,晶粒呈细小等轴状均匀分布(见图5)。4#区域为珠光体及网状铁素体,该处属于未受热影响的45#钢母材。金相检测判定,该组织是调质处理未完全的组织形态,与正常调质处理后的回火索氏体组织相比,强度显著降低,应该属于调质处理不合格组织(见图6)。 图5 焊接热影响区(400×) 图6 套管一侧母材(400×) 5#区域为摩擦焊接的焊缝部位,左侧为510L板材的熔合区,组织为粗大的贝氏体及针状魏氏体,属于典型的低碳合金钢焊缝组织;右侧为45#钢套管的熔合区,组织为珠光体及网状铁素体,网状组织极为粗大,组织中同时存在针状铁素体的过热魏氏组织(见图7)。6#区域为510L板材一侧的焊缝熔合区,组织为粗大的贝氏体及魏氏体。由于焊缝熔合区温度极高,且冷却速度较快,同时由于该材料具有较高的淬透性,因此在焊接后空冷过程中,材料组织已经由过冷奥氏体向贝氏体转变(见图8)。 图7 焊缝熔合区(400×) 图8 板材近焊缝处(400×) 7#区域为510L板材一侧距焊缝稍远的受热影响区,组织为等轴状分布的铁素体及少量珠光体,晶粒较为细小,该组织相当于正火细化处理(见图9)。8#区域为未受热影响的510L板材原材料组织,组织显示为略带变形的铁素体晶粒及少量长条状珠光体,这种组织属于热加工板材的特征组织(见图9)。 图9 焊接热影响区(400×) 图10 板材原始组织(400×) 2.分析与讨论 摩擦焊接是采用高速旋转的方式形成瞬间高温,使焊接部位两侧的工件表面熔化,在较高的压力作用下产生焊接熔合。由于摩擦产生的热量均匀,正常工况下焊接良好,因此焊缝具有较高的抗拉强度和冲击韧度。经过摩擦焊接的焊缝,能够承受较高的拉向力和扭矩力。 该试样的摩擦焊缝结合良好,未见任何孔洞、疏松和脱焊等缺陷组织,但是在距焊缝较近的套管一侧却发生了开裂现象。由裂纹开口的组织得知,开裂处有严重变形的纤维状组织。这种组织的形成,是由于摩擦焊接后没有及时卸载,在焊缝附近温度降低到再结晶温度以下,仍然对焊接部位施加压力,最终使变形的组织无法重新回复再结晶,这种严重的纤维状组织在后序冷却过程中产生的应力非常大。随着焊缝温度的逐渐降低,在热应力作用下产生拘束应力,焊缝熔合区附近将会形成较强的拉向应力。同时半轴套管的调质处理不合格,未能形成强度及韧度较高的回火索氏体组织。而且经过高温的影响,过冷奥氏体转变为粗大的珠光体及网状铁素体,材料性能显著降低。同时由于熔合区碳势的下坡扩散,该处增加强度的碳原子大部分已经向焊缝处扩散和迁移,材料组织的强度及韧性进一步降低。此时套管一侧近焊缝熔合区材料的抗拉强度,已经低于焊接拘束应力与变形组织应力所叠加的拉向应力,套管开裂也就在所难免了。 3.结论及建议 为了避免套管在摩擦焊接时产生类似的开裂现象,首先应该保证半轴套管的调质组织和强度。调质处理时应采用更为强烈的淬火介质,增加工件的表面淬透性,提高工件自身的强度和韧性。摩擦焊接过程中应调整焊接工艺,在保证焊缝质量的同时,应避免在再结晶温度以下产生组织变形。必要时在焊后较短的时间内,对焊接的工件进行去应力回火,消除因焊接产生的拘束应力和热应力,防止焊接件在放置和使用过程中产生应力集中开裂。 声明:本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题,请第一时间告知,我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容!返回搜狐,查看更多 |
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