304不銹鋼管管套裝搭接焊接結(jié)構(gòu)失效分析

張 新，梅 明，趙 庭

（西安德森新能源裝備有限公司，西安 710000）

1 概 述

管管套裝搭接焊接結(jié)構(gòu)是一種以厚壁管套在薄壁管外的結(jié)構(gòu)，其中厚壁管內(nèi)徑與薄壁管外徑的設(shè)計(jì)尺寸一致，僅在機(jī)械加工時(shí)要求，厚壁管內(nèi)徑按照上偏差，薄壁管外徑按照下偏差，直徑差值控制在0.2～0.3 mm，保證薄壁管可以套入厚壁管。 管管套裝焊接結(jié)構(gòu)使用狀態(tài)下的剖面如圖1所示。

圖1 管管套裝焊接結(jié)構(gòu)使用狀態(tài)下的剖面圖

圖1 所示的焊接結(jié)構(gòu)件是一種焊接絕熱氣瓶的出液管由夾層穿出到外部的結(jié)構(gòu)形式，由于夾層內(nèi)側(cè)無法焊接，故只能在外部對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接。該焊接結(jié)構(gòu)可以增大薄壁管所承受的剪切力，由于結(jié)構(gòu)限制僅在單側(cè)焊接，自身具有一定的徑向緩沖間隙，因此在疲勞載荷下使用具有一定優(yōu)勢(shì)。

目前焊接絕熱氣瓶使用的主要材質(zhì)均為304奧氏體不銹鋼，該材質(zhì)具有良好的焊接性，當(dāng)經(jīng)歷焊接熱輸入的作用之后，其組織會(huì)發(fā)生變化，如果前期處理工藝不當(dāng)就會(huì)產(chǎn)生焊接質(zhì)量問題。本研究采用化學(xué)成分檢測(cè)、 金相組織、 斷口形貌等分析方法，并結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用工況，對(duì)304 奧氏體不銹鋼管管套裝搭接焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，研究該焊接結(jié)構(gòu)件失效的主要原因。

2 管管套裝搭接焊接結(jié)構(gòu)件失效狀況

某管管套裝焊接結(jié)構(gòu)件縱向剖面實(shí)物及其宏觀裂紋照片如圖2 所示。 圖2 （a） 中，通液薄壁管①的規(guī)格為 Φ10mm×2 mm×100 mm，厚壁管②的規(guī)格為Φ22 mm×12 mm×30 mm，外套管③的規(guī)格為Φ30 mm×8 mm×15 mm，外套管④的規(guī)格為 Φ30 mm×8 mm×20 mm。 該焊接結(jié)構(gòu)件在實(shí)際工況下失效，導(dǎo)致焊接絕熱氣瓶夾層真空被破壞。 相關(guān)技術(shù)人員采用滲透檢測(cè)和宏觀金相觀察發(fā)現(xiàn)，失效位置位于通液薄壁管①與厚壁管②連接焊縫背面處，缺陷類型為穿透性裂紋，裂紋沿通液薄壁管壁厚方向 （見圖2 （b）），裂紋邊緣光滑無齒狀彎折，其他位置未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷。

圖2 某管管套裝焊接結(jié)構(gòu)件縱向剖面實(shí)物及其宏觀裂紋照片

3 試驗(yàn)過程

3.1 化學(xué)成分檢測(cè)

管管套裝焊接失效結(jié)構(gòu)件為太原鋼鐵 （集團(tuán)）有限公司生產(chǎn)的304 奧氏體不銹鋼管加工的管接頭，不銹鋼管執(zhí)行GB/T 14976—2012 《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》 標(biāo)準(zhǔn)，不銹鋼棒執(zhí)行GB/T 1220—2016 《不銹鋼棒》 標(biāo)準(zhǔn)。 焊材為 Φ2.0 mm的ER308L 不銹鋼實(shí)芯焊絲，執(zhí)行 YB/T 2092—2005 《焊接用不銹鋼絲》 標(biāo)準(zhǔn)。 304 奧氏體不銹鋼管、 鋼棒及ER308L 焊絲的化學(xué)成分見表1。

將表 1 中 304 奧氏體不銹鋼管、 鋼棒及ER308L 焊絲的化學(xué)成分與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，結(jié)果均符合要求。 采用手工TIG 焊接方法焊接各零部件，其中通液薄壁管與內(nèi)部套管的焊接參數(shù)為：電流 （150±5） A，電壓 （11.5±0.5） V，焊接速度100 mm/min，焊后焊縫空氣冷卻。

表1 304 奧氏體不銹鋼管、 鋼棒及ER308L 焊絲的化學(xué)成分

3.2 金相顯微組織觀察

圖3 裂紋附近的金相組織

參照GB/T 3375—1994 進(jìn)行焊接缺陷及組織分析，分別對(duì)通液薄壁管與內(nèi)部套管接頭裂紋區(qū)附近組織進(jìn)行了顯微組織觀察，觀察結(jié)果如圖3 所示。 焊接接頭主要分為焊縫區(qū)、 熔合線和熱影響區(qū)，熱影響區(qū)又分為過熱區(qū)，正火區(qū)和部分相變區(qū)。 由圖3 （c） 和圖3 （d） 可以看出，母材為單一的奧氏體組織，焊縫區(qū)基體為奧氏體組織，同時(shí)分布著方向較強(qiáng)的鐵素體，熱影響區(qū)的奧氏體組織晶粒粗大，有少量鐵素體析出，但區(qū)域?qū)挾容^小。 起裂位置位于焊縫熔合線位置，裂紋在發(fā)展過程中穿過母材而斷裂，即裂紋起裂后迅速發(fā)展至全部穿透性裂紋。3.3 裂紋斷口形貌觀察

通過掃描電子顯微鏡 （SEM） 對(duì)失效件斷裂的通液薄壁管斷口形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 裂紋斷口SEM 形貌

由圖4 （a） 和圖4 （b） 可見，斷口比較平滑，屬于脆性疲勞斷裂。 圖4 （c） 可以看出，起裂位置比較平整，且起裂后裂紋繼續(xù)在疲勞斷裂的初始階段； 由圖4 （e） 可見，裂紋擴(kuò)展區(qū)存在明顯均勻發(fā)展的疲勞條紋 （類似海灘帶條）； 由圖4 （f）可見，瞬斷區(qū)疲勞裂紋已經(jīng)變成非均勻發(fā)展的疲勞帶條紋，且在最終斷裂區(qū)域有明顯解理面出現(xiàn)。

通過基體掃描和EDS 分析觀察圖4 （b） 中的黑色物質(zhì)，結(jié)果見圖5 和表2。 分析結(jié)果表明，該黑色物質(zhì)為GaO 顆粒，為制備試樣時(shí)摻入的雜質(zhì)。通過基體掃描和EDS 分析觀察圖4 （c） 中的黑點(diǎn)，結(jié)果見圖6 和表3。 分析結(jié)果表明，黑點(diǎn)與母材成分相近，是由于疲勞裂紋擴(kuò)展過程中裂紋兩側(cè)相互撞擊形成的小平臺(tái)。

圖5 圖4 （b） 中黑色物質(zhì)的SEM 形貌和 EDS 圖譜

表2 圖4 （b） 中黑色物質(zhì)的能譜分析結(jié)果

圖6 圖4 （c） 中黑點(diǎn) SEM 形貌和 EDS 圖譜

表3 圖4 （c） 中黑點(diǎn)的能譜分析結(jié)果

4 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

4.1 材料分析

由表1 化學(xué)分析結(jié)果可見，母材與焊材的化學(xué)成分均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4.2 金相組織分析

由于熔合線區(qū)域的微觀行為十分復(fù)雜，焊縫與母材的不規(guī)則結(jié)合，形成了參差不齊的分界面。此區(qū)域的范圍雖然很窄，但由于其組織均勻性較差，故對(duì)焊接接頭的強(qiáng)度、 韌性的影響較大，也是大多數(shù)裂紋、 脆性破壞的發(fā)源地。 圖2 （a） 中起裂位置位于通液薄壁管外徑與厚壁管內(nèi)徑及兩者連接焊縫背面根部位置，該位置是尖銳夾角，同時(shí)也是焊縫與母材連接的位置，容易形成高倍數(shù)的應(yīng)力集中，因此一旦起裂，裂紋就會(huì)快速發(fā)展，這與圖2 （b） 和圖3 （b） 中裂紋在擴(kuò)展過程中路徑平直的情況相吻合。 而且由于裂紋起裂后疲勞載荷持續(xù)不斷施加力的作用，導(dǎo)致裂紋有足夠的能量可以沿母材繼續(xù)擴(kuò)展。

4.3 斷口形貌分析

斷口形貌為典型的疲勞斷裂形貌，起裂端斷口平滑，裂紋擴(kuò)展區(qū)疲勞帶條紋均勻發(fā)展，最后在瞬斷區(qū)斷裂，瞬斷區(qū)有明顯的解理臺(tái)面。

5 結(jié) 論

通過對(duì)304 不銹鋼管管套裝搭接焊接結(jié)構(gòu)失效件進(jìn)行化學(xué)成分、 金相組織、 斷口形貌的分析，并結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1） 管管套裝搭接焊接結(jié)構(gòu)件由于結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)，易在通液薄壁管外徑與厚壁管內(nèi)徑及兩者連接焊縫背面根部的位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，加之該處是熔合線位置，組織均勻性較差，故容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件的開裂。

（2） 管管套裝搭接焊接結(jié)構(gòu)的斷裂失效模式是疲勞脆性斷裂。