船舶用帶銅襯套通艙管件焊接開裂原因

潘恒沛,楊 曉,張利娟,張欣耀,2

(1.洛陽船舶材料研究所,洛陽 471023；2.河南省船舶及海工裝備結構材料技術與應用重點實驗室,洛陽 471023)

帶銅襯套通艙管件通常用于船舶海水管路系統中，該類管件規格齊全，價格適中，具有較好的防海洋生物污損性能。在實際安裝過程中，通常采用黃銅釬焊的方法將法蘭與管件本體進行連接，以保證帶銅襯套通艙管件的密封性[1]。某帶銅襯套通艙管件的本體材料為20Cr鋼，狀態為調質態。焊接前管件本體端面未發現肉眼可見的裂紋，焊接后采用滲透探傷，可見多條裂紋，焊接材料為S221錫黃銅，焊接方式為釬焊。為找出帶銅襯套通艙管件表面裂紋產生的原因，筆者對其進行了一系列理化檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

開裂帶銅襯套通艙管件的宏觀形貌見圖1a)，管件本體表面呈金屬色，管件心部為銅襯套，法蘭與管件本體之間存在一圈黃銅色釬焊填充物，未發現明顯裂紋。滲透探傷后觀察，可見管件本體端面存在多條細小裂紋，裂紋沿管件圓心向周圍呈放射狀分布，見圖1b)。

圖1 開裂帶銅襯套通艙管件的宏觀形貌

1.2 化學成分分析

對帶銅襯套通艙管件本體進行化學成分分析，結果見表1，可見管件本體的化學成分符合GB/T 3077-1999《合金結構鋼》標準對20Cr鋼的技術要求。

表1 帶銅襯套通艙管件本體的化學成分

1.3 拉伸試驗

在帶銅襯套通艙管件本體截取試樣進行拉伸試驗，結果見表2，可見管件本體的屈服強度、抗拉強度均不符合GB/T 3077-1999標準對20Cr鋼的技術要求，伸長率和斷面收縮率符合標準要求。

表2 帶銅襯套通艙管件本體的拉伸性能

1.4 斷口分析

在帶銅襯套通艙管件本體端面裂紋較多的區域截取試樣，沿裂紋將試樣斷開，觀察其斷口的微觀形貌。由圖2可見，斷口整體呈沿晶斷裂的形貌特征，部分區域晶粒表面呈熔融形貌。對沿晶斷裂和熔融特征明顯的區域進行能譜分析。由表3可見，斷口處的氧含量極低，且含有一定量的銅、鋅、錫等元素，其中沿晶斷裂區域的銅含量較低，熔融特征明顯區域主要含銅和鋅元素，以及少量的鐵、錫元素。

圖2 將帶銅襯套通艙管件沿裂紋斷開后斷口的微觀形貌

表3 將帶銅襯套通艙管件沿裂紋斷開后斷口不同區域的能譜分析結果

1.5 金相檢驗

裂紋沿帶銅襯套通艙管件本體端面圓心向四周呈放射狀分布。由圖3可見：帶銅套通艙管件本體表面裂紋內存在黃色物質；管件本體的顯微組織為鐵素體+珠光體組織，裂紋沿晶界擴展。對裂紋內黃色物質進行能譜分析，結果見表4，可見其主要成分為銅，質量分數約為60%，鋅質量分數約為30%。

圖3 帶銅襯套通艙管件本體表面裂紋處的顯微組織形貌

表4 帶銅襯套通艙管件本體表面裂紋內黃色物質的能譜分析結果

2 分析與討論

帶銅襯套通艙管件本體的化學成分符合GB/T 3077-1999標準對20Cr鋼的技術要求。管件本體的屈服強度、抗拉強度均低于標準要求，伸長率和斷面收縮率符合標準要求，拉伸性能不合格。

帶銅襯套通艙管件本體端面存在多條細小裂紋，裂紋沿管件端面圓心向周圍呈放射狀分布。將管件沿裂紋斷開后，其斷口整體呈沿晶斷裂特征，部分區域晶粒表面呈熔融特征形貌，局部區域表面可見一層覆蓋物，斷口處氧含量極低，且含有一定量的銅、鋅、錫等元素。金相檢驗結果表明：管件本體的顯微組織為鐵素體+珠光體組織，這與調質處理后的顯微組織不符；裂紋均沿晶界擴展，裂紋內存在黃色物質，其主要化學成分為銅、鋅、鐵、錫，這與焊接材料S221錫黃銅的主要化學成分基本一致。

焊接是在溫度較高的含氧環境中進行的，斷口未發現明顯氧化特征，能譜分析也未發現較高含量的氧元素，因此排除裂紋是在焊接前產生的。有研究表明，在一定的溫度和拉應力作用下，低熔點金屬容易從零件表面沿晶界進入材料內部，使材料脆化，形成裂紋，進而導致零件失效，這種類型的開裂被稱為液態金屬致脆開裂[2]。一般認為，當零件實際溫度達到低熔點金屬熔點的2/3或1/2時，在拉應力作用下，低熔點金屬即會沿晶界滲入金屬內部致使材料脆化而逐漸形成裂紋。低熔點金屬受熱液化時，若與固體金屬表面直接接觸，在拉應力作用下會在固體金屬表面起裂，裂紋尖端吸附低熔點金屬液態原子，進一步降低固體金屬的晶體結合強度，導致裂紋沿晶界擴展。

S221錫黃銅為低熔點金屬，若焊接工藝控制不當，焊材金屬與管件本體接觸時極易產生液態金屬致脆開裂現象，管件本體的異常顯微組織對低熔點金屬沿晶界擴散有促進作用。

綜上所述，帶銅襯套通艙管件開裂的類型屬于液態金屬致脆開裂。在焊接過程中，低熔點金屬S221錫黃銅從管件本體端面沿晶界進入材料內部，導致材料脆化，形成裂紋。

3 結論及建議

(1)帶銅襯套通艙管件開裂模式為液態金屬致脆開裂。在焊接過程中，S221錫黃銅中的低熔點金屬從管件本體端面沿晶界進入材料內部，導致材料脆化，形成裂紋，管件本體的異常顯微組織對低熔點金屬沿晶界擴散有促進作用。

(2)建議嚴格控制管件本體的熱處理工藝及顯微組織，通過預熱、控制焊接溫度等措施縮短管件在高溫環境中的停留時間。經驗證，控制管件本體組織為回火索氏體，焊接前，管件經300 ℃預熱，焊接過程中溫度保持在300～350 ℃，管件本體未發生開裂。