某高溫合金測壓導(dǎo)管焊縫漏率超標(biāo)分析

史春山 郭大治

摘要：某高溫合金測壓導(dǎo)管在氦質(zhì)譜檢漏時發(fā)現(xiàn)，其一側(cè)焊縫漏率超標(biāo)，采用化學(xué)成分分析、金相檢驗、斷口分析等方法對漏率超標(biāo)產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：由于焊接時導(dǎo)管內(nèi)部未及時通氬氣保護(hù)，導(dǎo)致焊縫內(nèi)表面嚴(yán)重氧化，在進(jìn)行二次焊接時，焊縫中心外表面形成了熱裂紋。導(dǎo)管泄漏主要是由于其焊縫內(nèi)表面大量氧化物降低了焊縫的強(qiáng)度，以及焊縫外表面曾被打磨，打磨處形成應(yīng)力集中，在導(dǎo)管液壓氣密試驗和反復(fù)裝配等作用下，熱裂紋發(fā)生塑性擴(kuò)展形成了貫穿壁厚的通道。

關(guān)鍵詞：高溫合金;導(dǎo)管;熱裂紋;漏率超標(biāo)

0 前言

GH1140高溫合金和GH1131高溫合金都是固熔強(qiáng)化的鐵鎳基變形高溫合金，具有中等的熱強(qiáng)性和良好的熱疲勞、組織穩(wěn)定性及焊接性能，適宜于制造850 ℃以下的高溫部件。某高溫合金測壓導(dǎo)管在氦質(zhì)譜正壓檢漏時發(fā)現(xiàn)，接管嘴一側(cè)焊縫漏率超標(biāo)，不滿足設(shè)計文件要求，對導(dǎo)管上的焊縫進(jìn)行皂泡法氣密檢查，發(fā)現(xiàn)該焊縫處有氣泡產(chǎn)生。該測壓導(dǎo)管由管子、接管嘴和管接頭焊接而成[1]，結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要生產(chǎn)工藝流程為：下料→除油→內(nèi)窺檢查→彎曲成型→酸洗→焊接→X射線檢測→酸洗→強(qiáng)度、氣密試驗→硝酸鈍化→內(nèi)窺檢查→包裝→交付。其中管子材料為固熔態(tài)GH1140高溫合金，接管嘴、管接頭材料為固熔態(tài)GH1131高溫合金，采用不填絲全位置自動鎢極氬弧焊焊接工藝[2]。為查明該測壓導(dǎo)管產(chǎn)生漏率超標(biāo)的原因，本文對導(dǎo)管漏率超標(biāo)焊縫取樣進(jìn)行了檢驗和失效分析[3]。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

經(jīng)目視觀察，導(dǎo)管焊縫區(qū)域未見明顯的損傷痕跡，采用體式顯微鏡進(jìn)行觀察，可見焊縫外表面存在明顯打磨痕跡，如圖2所示，未見明顯的裂紋或腐蝕痕跡存在。采用機(jī)械方法將焊縫沿縱向剖開對其內(nèi)表面進(jìn)行檢查，未見明顯裂紋、孔洞和滲漏通道[4]。

1.2 微觀觀察

將焊縫置于掃描電鏡觀察其內(nèi)、外表面，在外表面焊縫中心區(qū)域可見一條周向裂紋，如圖3所示，裂紋張口較小，長約1.0 mm，形態(tài)曲折，斷續(xù)分布，未見分叉裂紋，在其附近存在一處約2.0 mm×1.0 mm的疏松區(qū)域，進(jìn)一步觀察該疏松區(qū)域呈自由表面形貌，其他區(qū)域均可見打磨痕跡。焊縫內(nèi)表面呈氧化形貌，對該區(qū)域進(jìn)行化學(xué)成分分析，主要含有O、Fe、Cr、Ti、Al、Mn等元素，微觀形貌如圖4所示。對焊縫及兩側(cè)母材進(jìn)行化學(xué)成分分析，未見異常元素存在，兩側(cè)母材所含主元素及含量均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對GH1140、GH1131高溫合金化學(xué)成分的技術(shù)要求。

1.3 力學(xué)性能測試

選取與漏率超標(biāo)測壓導(dǎo)管同爐批管子，在其上切取縱向拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗，結(jié)果測得抗拉強(qiáng)度σb=690 MPa，伸長率δ5=47.5%，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[7]要求GH1140高溫合金的抗拉強(qiáng)度σb≥635 MPa，伸長率δ5≥40%，可見該測壓導(dǎo)管的拉伸試驗結(jié)果高于標(biāo)準(zhǔn)要求，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對GH1140高溫合金的技術(shù)要求。

1.4 斷口分析

采用機(jī)械的方法將裂紋打開進(jìn)行觀察，掃描電鏡內(nèi)低倍觀察可見裂紋處斷面存在兩區(qū)域，靠近外表面（深約0.7 mm）呈亮灰色，斷面粗糙，呈自由表面狀，未見斷裂特征存在;靠近內(nèi)表面區(qū)域（深約為0.8 mm）為黑灰色氧化皮，斷口形貌如圖5所示。

將斷面置于掃描電鏡內(nèi)進(jìn)行微觀觀察，可見自由表面區(qū)域（靠近外表面一側(cè)區(qū)域）大部分區(qū)域呈類似土豆?fàn)畹娜廴谛螒B(tài)及磨損形貌，微觀形貌如圖6所示。端面下方大部分區(qū)域呈氧化形貌，微觀形貌如圖7所示。局部區(qū)域及靠近最外側(cè)表面區(qū)域呈韌窩形貌，最外側(cè)韌窩區(qū)最薄處厚度約16 μm，韌窩區(qū)應(yīng)為塑性擴(kuò)展瞬間斷開區(qū)域，微觀形貌如圖8所示。

1.5 金相分析

在焊縫未泄漏區(qū)域沿縱向制備金相試樣，經(jīng)鑲樣、磨光、拋光、電解腐蝕后進(jìn)行觀察，可見焊縫區(qū)域存在多次焊接痕跡，焊縫中心存在多條斷續(xù)分布的焊接熱裂紋缺陷，其中最大一處焊接熱裂紋長約0.6 mm。焊縫組織為枝狀晶組織，兩側(cè)母材均為奧氏體組織，金相組織形貌如圖9所示，焊接熱裂紋組織如圖10所示。對焊縫、兩側(cè)母材及熔合線進(jìn)行顯微硬度測試（隨機(jī)取3點），測試值如表1所示，測試結(jié)果（HV0.2）未見異常[5]。

2 綜合分析

通過對上述理化檢驗結(jié)果分析，泄漏測壓導(dǎo)管的化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對GH1140、GH1131高溫合金的技術(shù)要求[6]。斷口顯微觀察顯示該測壓導(dǎo)管焊縫內(nèi)表面嚴(yán)重氧化，存在約0.8 mm厚黑灰色氧化皮，說明在焊接過程中導(dǎo)管內(nèi)部保護(hù)氣保護(hù)不足，金相檢驗顯示該測壓導(dǎo)管焊縫外表面存在熱裂紋焊接缺陷，說明在焊接過程中焊接工藝保證措施控制不當(dāng)。

GH1140、GH1131高溫合金導(dǎo)管在焊接時，導(dǎo)管內(nèi)部需通氬氣保護(hù)，否則焊縫易受高溫作用而發(fā)生氧化，所產(chǎn)生的氧化物會降低材料的強(qiáng)度，焊接熱裂紋下面淤積氧化物，在外界應(yīng)力作用下，它起著楔子的作用，會大大加速裂紋的擴(kuò)展。根據(jù)焊接工藝要求，高溫合金導(dǎo)管焊接時要求通1.5～2.0 L/min氬氣對焊縫內(nèi)部進(jìn)行保護(hù)，從焊縫內(nèi)表面成型宏觀觀察及微觀觀察，可見產(chǎn)生氧化物的原因應(yīng)為導(dǎo)管焊接時內(nèi)部未及時通氬氣保護(hù)所產(chǎn)生。

GH1140、GH1131兩種高溫合金焊接后焊縫成分是兩個合金的互溶體，熔化后含碳量平均值高于GH1131高溫合金的含碳量要求，大量碳擴(kuò)散到GH1131高溫合金的熱影響區(qū)，與固溶態(tài)GH1131高溫合金中的W、Nb、Mo、V等強(qiáng)碳化物形成元素形成碳化物，大量碳化物形核長大，發(fā)生不連續(xù)脫溶，形成脆性界面，使得焊縫容易開裂[7]。

從斷口的宏觀、微觀分析可見，該測壓導(dǎo)管焊縫進(jìn)行了二次焊接，由于焊縫外表面過熱，在高溫條件下焊縫中心析出大量碳化物，合金元素生成低熔點共晶體，隨著焊縫金屬冷卻結(jié)晶不斷進(jìn)行，已凝固的晶粒相對較多，但是殘存在晶界處的低熔點共晶物卻尚未凝固，并呈液態(tài)薄膜狀散布在晶粒表面，阻斷了一些晶粒之間的相互聯(lián)系，冷卻時，在凝固收縮所引起的拉伸應(yīng)力作用下，殘余液體金屬不能及時填充空位，于是在晶粒邊界處形成了熱裂紋焊接缺陷。

3 結(jié)論及措施

導(dǎo)管泄漏主要是由于其焊縫內(nèi)表面大量氧化物降低了焊縫的強(qiáng)度，以及焊縫外表面存在打磨痕跡，在打磨后殘留的痕跡處形成應(yīng)力集中，在導(dǎo)管液壓氣密試驗反復(fù)裝配和機(jī)械振動等作用下，焊縫外表面熱裂紋發(fā)生塑性擴(kuò)展形成了貫穿壁厚的通道[8]。

建議設(shè)計制造專用工裝，保證氣瓶同時對導(dǎo)管內(nèi)、外表面通氬氣，防止操作者誤操作導(dǎo)致導(dǎo)管內(nèi)表面不通氬氣或延遲通氣;同時提高導(dǎo)管焊縫內(nèi)部質(zhì)量內(nèi)窺檢查要求，取消原工藝允許導(dǎo)管焊縫補(bǔ)焊兩次及焊縫打磨修整的要求，要求全位置自動焊接導(dǎo)管一次焊接成形，不允許補(bǔ)焊，不允許打磨;出現(xiàn)焊接缺陷時，切除焊接接頭及熱影響區(qū)，重新更換接頭焊接。

參考文獻(xiàn)：

[1] 田錫唐. 焊接結(jié)構(gòu)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[2] 王宗杰. 熔焊方法及設(shè)備[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3] 張棟，鐘培道，陶春虎，等. 失效分析[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2004.

[4] 周達(dá)，沈一龍. 焊接試驗[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1985.

[5] 張文鉞. 焊接冶金學(xué)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

[6] YB/T 5245-1993，普通承力件用高溫合金熱軋和鍛制棒材[S].

[7] GJB 2297A-2008，航空用高溫合金冷拔（軋）無縫管規(guī)范[S]. 國防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部出版，2008.

[8] QJ 2865A-2014，導(dǎo)管焊接技術(shù)要求[S]. 中國航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所出版，2015.