堆焊修復風機傳動軸斷裂失效的原因

封小亮, 劉課秀, 李露水, 馬 括

(廣州特種承壓設備檢測研究院, 廣州 510663)

軸桿是機械產品中最重要的零件之一，工作條件復雜，失效事故時有發生，失效形式也不盡相同，加工、熱處理、表面處理、裝配、維修等環節出現問題均可造成軸桿的早期失效[1-6]，而突發性失效事件將對企業造成重大的經濟損失，并對人身安全構成嚴重威脅。

增厚堆焊是通過熔敷一定厚度的金屬，修復機械設備工作表面磨損部分和金屬表面殘缺部分的一種方法[7]。堆焊常被用于軸類零部件的表面增厚處理，但涉及焊材選取、焊接電流、加熱方式以及焊后機械加工等環節，因此堆焊件經常發生不同形式的失效問題。

國內某汽車廠在用的MITSUYA風機，因長期運行使用，該風機傳動軸(簡稱風機軸)軸頸與套筒之間出現嚴重磨損，無法滿足配合需求而會發生相互滑動，經表面堆焊修復繼續使用幾天后，風機軸出現早期斷裂，其堆焊焊接工藝不詳。風機軸材料牌號為S45C，制造與熱處理工藝不明，風機軸出廠時間超過10 a，材料參數參考JIS G4051-1979《機械結構用碳素鋼材》。經宏觀觀察初步判斷斷裂為多源疲勞斷裂，為進一步確認失效原因，對斷裂風機軸進行了宏觀觀察、化學成分分析、拉伸試驗、硬度測試、顯微組織觀察和斷口分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

風機軸斷口位于軸頸與軸身的變徑位置(軸肩位置)，斷裂風機軸的宏觀形貌見圖1。經測量，風機軸軸身和軸頸直徑分別為55 mm和60 mm，風機軸長度約為1 100 mm，取出軸頸套筒后發現橫跨軸頸與軸身的鍵槽尺寸約為25 mm×8 mm×4 mm。對軸頸側斷口進行觀察發現，斷口表面無宏觀塑性變形，斷口表面齊平、光滑，沿斷口邊緣分布有1號、2號、3號、4號共4個斷裂棘輪臺階，1號臺階起源于軸肩和鍵槽的交錯位置，圖2a)方框處為最后斷裂區。斷口邊緣可見由軸頸表面向軸肩延伸的堆焊層，斷口邊緣沿堆焊焊趾起伏分布，軸肩凹凸不平，根部未見圓角過渡，見圖2b)。采用體視顯微鏡觀察斷口，可見2號、3號、4號共4個斷裂棘輪臺階均起源于軸頸堆焊焊趾位置，其中3號棘輪臺階可見沿焊趾向軸心方向擴展的裂紋，見圖2c)。軸頸外表面存在大量孔洞缺陷，見圖2d)。

圖1 斷裂風機軸的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of fractured ventilator shaft

圖2 斷裂風機軸斷口的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fracture of broken ventilator shaft:a) fracture surface; b) surfacing welding layer; c) 3# ratchet mark; d) hole on journal surface

1.2 化學成分分析

按照GB/T 4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法(常規法)》，對風機軸的化學成分進行分析，檢測結果均符合JIS G4051-1979中對S45C鋼的成分要求，檢測結果見表1。

表1 風機軸的化學成分Tab.1 Chemical compositions of ventilator shaft

1.3 拉伸試驗

在風機軸半徑的1/2處截取兩個縱向拉伸試樣，按照GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》進行室溫拉伸試驗，試驗結果見表2。參考標準JIS G4051-1979對S45C鋼正火態的力學性能要求，可見風機軸的屈服強度低于標準要求的下限值，抗拉強度(Rm)和斷后伸長率(A)均符合標準要求。

表2 風機軸室溫拉伸試驗結果Tab.2 Tensile test results of ventilator shaft

1.4 顯微組織觀察

在軸頸位置截取橫截面試樣，在軸肩位置截取縱截面試樣，經4%(質量分數)硝酸酒精浸蝕后，依據GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》，進行顯微組織觀察。圖3為風機軸軸頸橫截面和軸肩縱截面的顯微組織。經軸頸外表面堆焊后，軸頸橫截面最外層為網狀鐵素體+珠光體的焊縫組織，見圖3a)。焊縫內側可見大量堆焊形成的過熱魏氏組織及淬硬馬氏體組織，見圖3b)。軸頸心部為塊狀鐵素體+珠光體組織，珠光體片層結構清晰，局部嚴重偏析，見圖3c)。觀察軸肩縱截面試樣發現，經軸頸外表面堆焊后，軸肩兩側為兩種完全不同的顯微組織，軸肩為針狀/塊狀鐵素體+珠光體組織，軸肩根部軸身側為貝氏體+珠光體組織，見圖3d)和圖3e)。根據標準JIS G4051-1979的熱處理技術要求，軸的正常組織應為鐵素體+珠光體組織。

圖3 風機軸軸頸橫截面和軸肩縱截面的顯微組織Fig.3 Microstructure of axial cross section of journal and longitudinal section of shaft shoulder of ventilator shaft:a) cross section, outermost layer; b) cross section, inside weld; c) cross section, journal center; d) longitudinal section, shoulder position;e) longitudinal section, root of shaft shoulder

1.5 硬度試驗

按照GB/T 4340.1-2009《金屬維氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》，對軸肩縱截面進行維氏硬度試驗，測量結果見圖4，左上角插圖為檢測位置示意圖。由圖4可知，在軸肩過渡位置處硬度出現異常變化，軸肩內層的硬度變化更加明顯，靠近軸身側硬度明顯偏高(300 HV)，較軸肩變徑處的硬度高約80 HV，這超過JIS G4051-1979標準要求的上限值(240 HV)，為典型的硬化區。

圖4 風機軸軸肩維氏硬度測量結果Fig.4 Vickers hardness measurement results of shaftshoulder of ventilator shaft

1.6 斷口分析

對圖2a)所示的軸頸側斷口進行丙酮超聲清洗后，進行掃描電鏡進行觀察。由圖5a)～c)可見，斷口整體較為齊平，斷口邊緣軸肩位置可見因堆焊后車削加工造成的孔洞缺陷，軸肩可見沿根部分布的細小裂紋，斷口邊緣可見沿堆焊焊趾向心部擴展的裂紋臺階。由圖5d)可見，斷口邊緣位置有許多棘>輪狀臺階，棘輪臺階附近可見大量輪胎狀壓痕，壓痕呈短程、有序分布，這種輪胎壓痕表明風機軸發生了低循環(高應力)疲勞開裂[8]。由圖5e)可見，斷口擴展區表面的大量珠光體層片間呈解理形貌，并可見解理臺階。由圖5f)可見，斷口最后瞬斷區呈典型的韌窩形貌特征。

圖5 風機軸軸頸側斷口的微觀形貌Fig.5 Micro morphology of fracture on journal side of ventilator shaft:a) hole defect in shaft shoulder; b) crack in shaft shoulder; c) crack along weld toe; d) tire tracks near ratchet steps;e) crack propagation region; f) final fracture zone

2 分析與討論

斷裂風機軸的化學成分符合JIS G 4051-1979的技術要求。通過宏觀觀察可見，軸頸和軸肩外表面存在堆焊后車削加工造成的孔洞缺陷，斷口表面無宏觀塑性變形，斷口齊平，邊緣存在大量的棘輪臺階，這些棘輪臺階即為斷裂的起始點。由拉伸試驗結果可見，風機軸的屈服強度低于JIS G 4051-1979對S45C鋼(正火態)技術要求的下限值。通過顯微組織觀察可見：軸頸橫截面由外而內的組織分別為網狀鐵素體+珠光體、魏氏組織鐵素體、馬氏體組織、鐵素體+珠光體組織，心部區域存在嚴重偏析；軸肩為針狀/塊狀鐵素體+珠光體組織，軸肩根部軸身側則為貝氏體+珠光體組織。維氏硬度檢測結果表明，兩側區域測得的硬度存在明顯差異。通過軸頸斷口分析可見：風機軸斷口邊緣處存在多處棘輪臺階，臺階附近可見大量輪胎壓痕，呈現多源的低循環(高應力)疲勞斷裂特征；斷口邊緣可見沿堆焊層焊趾向軸心擴展的裂紋。

綜上分析，在運行工況下，風機軸承受在皮帶輪預緊力作用下產生的彎曲應力和轉動傳動時產生的剪切應力的共同作用，為典型的交變載荷。風機軸經堆焊及加工維修后，局部焊道焊趾、孔洞缺陷和鍵槽位置成為嚴重應力集中部位。同時，堆焊后軸肩兩側的顯微組織和硬度差異較大，容易在倒角處形成應力集中，影響軸肩位置的抗疲勞性能。風機軸軸頸最外層組織為針網狀鐵素體+珠光體組織，心部組織嚴重偏析，進一步減弱了軸頸的抗疲勞性能，最終在交變載荷作用下，風機軸在以上薄弱位置產生疲勞裂紋源，并快速擴展直至發生斷裂。

3 結論與建議

(1) 風機軸軸頸堆焊及加工維修引起的軸肩位置的顯微組織和力學性能異常，在交變載荷作用下，軸肩位置焊道焊趾、孔洞缺陷和鍵槽等高應力集中部位產生疲勞裂紋源，快速擴展最終發生斷裂。

(2) 基于風機軸的斷裂失效原因，針對軸類零件表面堆焊修復提出以下幾點建議：提高焊接質量，避免軸表面和軸肩位置出現孔洞缺陷；軸肩應采用圓角進行平緩過渡，避免應力集中；皮帶預緊力應合理設置，避免產生過大彎曲應力。