《焊接芯轴失效分析.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《焊接芯轴失效分析.pptx（19页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、焊接芯轴断裂失效分析焊接芯轴断裂失效分析中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）预防措施预防措施失效分析失效分析过程过程背景背景资料资料第1页/共19页焊接芯轴断裂失效分析焊接芯轴断裂失效分析中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）背景资料背景资料 某公司送来断裂失效芯轴样品，据该公某公司送来断裂失效芯轴样品，据该公司相关人员介绍断裂失效发生在焊缝位置。司相关人员介绍断裂失效发生在焊缝位置。伸缩式套筒液压缸焊接芯轴，柱塞材料为伸缩式套筒液压缸焊接芯轴，柱塞材料为27SiMn27SiMn，芯轴材料为，芯轴材料为20#20#钢。钢。第2页/共19页焊接芯轴断裂失效分析焊接芯轴断裂失效分析中国石油大
2、学（华东）中国石油大学（华东）1.结构设计分析结构设计分析2.选材（两种基体和焊材）分析选材（两种基体和焊材）分析3.焊接缺陷分析焊接缺陷分析4.焊接安装、使用分析焊接安装、使用分析失效分析过程失效分析过程第3页/共19页焊接芯轴断裂失效分析焊接芯轴断裂失效分析中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）结构设计分析结构设计分析芯轴与套筒连芯轴与套筒连接部位较小，接部位较小，承受载荷的能承受载荷的能力较差，容易力较差，容易引起应力集中引起应力集中。第4页/共19页焊接芯轴断裂失效分析焊接芯轴断裂失效分析中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）选材（两种基体和焊材）分析选材（两种基体和焊材）分析采用
3、采用HVS-10ZCHVS-10ZC型硬度计对送检样品进行硬度测试。型硬度计对送检样品进行硬度测试。采用采用GP1000GP1000光谱分析仪器对送检的原材料进行化学成分分析。光谱分析仪器对送检的原材料进行化学成分分析。试样试样CSiMnPSCrNiCu20#钢钢保证值0.170.240.170.370.350.650.0350.0350.250.250.25测量值0.4780.2380.720.0160.0130.0640.4%0.51%0.4%，钢材的淬硬性越，钢材的淬硬性越大，热影响区越容易产生裂纹大，热影响区越容易产生裂纹,属焊接性较差的钢种。要确属焊接性较差的钢种。要确保获得良好的焊
4、接质量，必须采取焊前预热、焊后后热等保获得良好的焊接质量，必须采取焊前预热、焊后后热等工艺。工艺。套筒材料为套筒材料为27SiMn钢钢第7页/共19页焊接芯轴断裂失效分析焊接芯轴断裂失效分析中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）选材（两种基体和焊材）分析选材（两种基体和焊材）分析试验项目试验项目b（MPa）s（MPa）A（%）Z Z20#20#钢钢370-520215272427SiMn27SiMn9808354012表表2 20#2 20#钢和钢和27SiMn27SiMn的力学性能的力学性能 通过表通过表2 2对比发现，两种钢的机械性能差异较大，对比发现，两种钢的机械性能差异较大，在实际焊
5、接中，应采用在实际焊接中，应采用低强匹配低强匹配的原则：的原则：低强匹配由于其焊缝金属塑性、韧性好低强匹配由于其焊缝金属塑性、韧性好,弹性模弹性模量小量小,降低接头的拘束应力而减轻熔合区附近的负荷降低接头的拘束应力而减轻熔合区附近的负荷,从而降低熔合区附近的裂纹敏感性从而降低熔合区附近的裂纹敏感性 。第8页/共19页焊接芯轴断裂失效分析焊接芯轴断裂失效分析中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）选材（两种基体和焊材）分析选材（两种基体和焊材）分析化学成分化学成分质量分数质量分数C0.1%Si0.57%Mn1.26%S0.011%P0.014表表3 直径为直径为1.2、JM58焊丝的化学成分焊丝
6、的化学成分 该焊接选择的是该焊接选择的是CO CO 2 2气体保气体保护焊，护焊，CO CO 2 2气体保护焊焊接时，气体保护焊焊接时，由于焊接气体具有很高的氧化性，由于焊接气体具有很高的氧化性，在焊丝中必须加入较高的硅和锰在焊丝中必须加入较高的硅和锰等脱氧元素。等脱氧元素。JM-58JM-58焊丝除具有焊丝除具有硅和锰等适量合金元素外，还添硅和锰等适量合金元素外，还添加了加了TiTi元素，由于元素，由于TiTi元素的添加元素的添加可以使焊丝的球状熔滴细化，具可以使焊丝的球状熔滴细化，具有稳定电弧的功效，而有稳定电弧的功效，而TiTi还有使还有使焊道晶粒细化的作用，能增强焊焊道晶粒细化的作用，
7、能增强焊道的强度及冲击值。道的强度及冲击值。第9页/共19页焊接芯轴断裂失效分析焊接芯轴断裂失效分析中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）焊接缺陷分析焊接缺陷分析（1）选择合适的样品用于确）选择合适的样品用于确定裂纹源定裂纹源在样品选择中，需要比较断裂在样品选择中，需要比较断裂部位和类似的但未断裂的部件，部位和类似的但未断裂的部件，以便确定断裂是工作条件引发的，以便确定断裂是工作条件引发的，还是加工误差造成的。有时也需还是加工误差造成的。有时也需要将损坏区域的材料与远离损坏要将损坏区域的材料与远离损坏区域的材料做比较分析。如果主区域的材料做比较分析。如果主裂纹形成断口承受了严重的机械裂纹形成
8、断口承受了严重的机械擦伤或化学腐蚀，可以选取二次擦伤或化学腐蚀，可以选取二次裂纹所形成的断口进行间接的分裂纹所形成的断口进行间接的分析及研究。析及研究。ABAB第10页/共19页焊接芯轴断裂失效分析焊接芯轴断裂失效分析中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）焊接缺陷分析焊接缺陷分析（2 2）选择、保存和清洗断裂表面）选择、保存和清洗断裂表面 焊接结构的断裂是裂纹萌生和扩展的过程，而裂纹的萌生与扩焊接结构的断裂是裂纹萌生和扩展的过程，而裂纹的萌生与扩展都是按一定规律进行的。断裂失效分析主要内容是确定裂纹源的展都是按一定规律进行的。断裂失效分析主要内容是确定裂纹源的位置与裂纹的扩张方向并据此确定断
9、裂机制。位置与裂纹的扩张方向并据此确定断裂机制。（3 3）断口分析）断口分析 1 1）断口宏观分析）断口宏观分析：即用肉眼或放大镜来识别失效类型，通过：即用肉眼或放大镜来识别失效类型，通过断口宏观分析可以确定断裂构件的裂纹源位置；裂纹的扩展方向；断口宏观分析可以确定断裂构件的裂纹源位置；裂纹的扩展方向；断裂类型的判别；构件所承受的应力类型；环境介质对构件断裂的断裂类型的判别；构件所承受的应力类型；环境介质对构件断裂的影响等。影响等。2 2）断口显微分析）断口显微分析：通过对断口的微观观察，除可进一步澄清：通过对断口的微观观察，除可进一步澄清断裂的路径、断裂的性质、环境介质对断裂的影响之外，还可
10、对断断裂的路径、断裂的性质、环境介质对断裂的影响之外，还可对断裂原因及断裂机制作更进一步的考察验证。裂原因及断裂机制作更进一步的考察验证。断裂面经丙酮超声波清断裂面经丙酮超声波清洗后，采用洗后，采用JXA-8800RJXA-8800R型型电子探针对断口形貌进行观察。型型电子探针对断口形貌进行观察。第11页/共19页焊接芯轴断裂失效分析焊接芯轴断裂失效分析中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）焊接缺陷分析焊接缺陷分析（4 4）金相检查）金相检查 金相检验的主要目的是检验构件有关材料的纤维组织和缺陷，金相检验的主要目的是检验构件有关材料的纤维组织和缺陷，其具体内容包括晶粒的大小、组织形态、第二相
11、粒子的大小与分布、其具体内容包括晶粒的大小、组织形态、第二相粒子的大小与分布、晶界的变化、夹杂物的大小分布及形状、疏松、裂纹、脱碳等缺陷。晶界的变化、夹杂物的大小分布及形状、疏松、裂纹、脱碳等缺陷。不要忽略对晶界的检验，观察其是否有析出相、腐蚀及宽化现象存不要忽略对晶界的检验，观察其是否有析出相、腐蚀及宽化现象存在等。有时还需要检查与断口表面相垂直截面的金相组织。检查裂在等。有时还需要检查与断口表面相垂直截面的金相组织。检查裂纹时，裂纹尖端的金相组织可提供有价值的信息。纹时，裂纹尖端的金相组织可提供有价值的信息。金相试样制备是在金相砂纸上磨至金相试样制备是在金相砂纸上磨至20002000#，然
12、后抛光，洗净后用，然后抛光，洗净后用4%4%硝酸酒精溶液浸蚀，在硝酸酒精溶液浸蚀，在VHX-600KVHX-600K型超景深三维显微系统下进行组型超景深三维显微系统下进行组织和宏观断口形貌观察。织和宏观断口形貌观察。第12页/共19页焊接芯轴断裂失效分析焊接芯轴断裂失效分析中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）焊接安装、使用分析焊接安装、使用分析焊焊接接方方法法|焊焊接接参参数数 20#20#钢和钢和27SiMn27SiMn的焊接属于异种钢焊接。异种的焊接属于异种钢焊接。异种钢焊接时，为确保焊缝成分合理（保证塑性、韧性钢焊接时，为确保焊缝成分合理（保证塑性、韧性及抗裂性），必须做到：正确选择
13、提高合金化的焊及抗裂性），必须做到：正确选择提高合金化的焊接材料；适当控制融合比或稀释率。接材料；适当控制融合比或稀释率。异种金属焊接时，焊缝金属实际上是熔敷金属异种金属焊接时，焊缝金属实际上是熔敷金属与熔化的基体金属混合在一起的合金。基体金属与熔化的基体金属混合在一起的合金。基体金属（母材）溶入焊缝后使其合金元素比例发生变化，（母材）溶入焊缝后使其合金元素比例发生变化，焊缝中合金元素比例减小称为焊缝中合金元素比例减小称为“稀释稀释”，若比例增，若比例增加则称为加则称为“合金化合金化”。稀释或合金化的程度取决于。稀释或合金化的程度取决于融合比，即基体金属在焊缝中所占的百分比。融合比，即基体金属
14、在焊缝中所占的百分比。对比可发现，母材和焊缝中对比可发现，母材和焊缝中CrCr、NiNi含量降低明含量降低明显，即合金元素发生稀释。显，即合金元素发生稀释。第13页/共19页焊接芯轴断裂失效分析焊接芯轴断裂失效分析中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）焊接安装、使用分析焊接安装、使用分析焊接时线能量不易过高，否则将使热影响区过宽，焊接时线能量不易过高，否则将使热影响区过宽，粗晶区扩大，在成焊接接头韧性下降。粗晶区扩大，在成焊接接头韧性下降。1.21.2焊丝焊丝JM-58JM-58，焊接时适宜的焊接参数为，焊接时适宜的焊接参数为I=235300AI=235300A，U=2832VU=2832V
15、，Q=1520I/minQ=1520I/min同时采用短路过渡焊接，减少合金元素的烧损，同时采用短路过渡焊接，减少合金元素的烧损，以保证焊接接头的综合机械性能。以保证焊接接头的综合机械性能。总是所述，选择总是所述，选择COCO2 2气体保护焊是合理的。气体保护焊是合理的。焊焊接接方方法法|焊焊接接参参数数第14页/共19页焊接芯轴断裂失效分析焊接芯轴断裂失效分析中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）焊接安装、使用分析焊接安装、使用分析焊焊接接方方法法|焊焊接接参参数数 分析分析 ：焊缝表面凹凸不平，宽窄不匀。这种缺陷：焊缝表面凹凸不平，宽窄不匀。这种缺陷虽然对静载强度影响不大，但容易产生应力
16、集中，对承虽然对静载强度影响不大，但容易产生应力集中，对承受动载不利。受动载不利。初步认定为：焊工操作不当；或焊接初步认定为：焊工操作不当；或焊接时时参数参数设置设置不不合适合适引起的引起的。第15页/共19页焊接芯轴断裂失效分析焊接芯轴断裂失效分析中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）焊接安装、使用分析焊接安装、使用分析 芯轴套筒构件工作时的负载包括正芯轴套筒构件工作时的负载包括正应力和切应力，受力状态复杂应力和切应力，受力状态复杂。实践表明：即使低于屈服极限，这种交变应力也会引起构件的突然实践表明：即使低于屈服极限，这种交变应力也会引起构件的突然断裂，且断裂前无明显的塑性变形。这种现象称
17、为疲劳失效。疲劳失效断裂，且断裂前无明显的塑性变形。这种现象称为疲劳失效。疲劳失效的原因是构件尺寸突变或内部缺陷部位的应力集中诱发微裂纹；在交变的原因是构件尺寸突变或内部缺陷部位的应力集中诱发微裂纹；在交变应力的作用下，微裂纹不断萌生、集结、形成宏观裂纹并突然断裂。应力的作用下，微裂纹不断萌生、集结、形成宏观裂纹并突然断裂。综上所述：此处的断裂有可能是交变应力引起的疲劳失效。综上所述：此处的断裂有可能是交变应力引起的疲劳失效。随着自卸车工作时液压杆的伸缩，随着自卸车工作时液压杆的伸缩，芯轴套筒构件的受力发生周期性变化，芯轴套筒构件的受力发生周期性变化，即：受到交变应力的影响。交变应力是即：受到
18、交变应力的影响。交变应力是杆件上随时间周期变化的应力。交变应杆件上随时间周期变化的应力。交变应力作用下力作用下 的破坏称为疲劳破坏。的破坏称为疲劳破坏。第16页/共19页焊接芯轴断裂失效分析焊接芯轴断裂失效分析中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）预防措施预防措施1 1、选材方面：严格控制使用材料的质量，选材方面：严格控制使用材料的质量，例如例如20#20#钢选用符合要求的钢选用符合要求的。2 2、结构设计：断裂发生在芯轴与套筒相连接的焊缝位置，、结构设计：断裂发生在芯轴与套筒相连接的焊缝位置，优化结构设计，强化焊缝的抗裂性能。优化结构设计，强化焊缝的抗裂性能。3、使用和维护：设备安装时，要保证构件受力均衡；、使用和维护：设备安装时，要保证构件受力均衡；对于重要部件，在使用时要注意其对于重要部件，在使用时要注意其 受力极限并采用正确的安装方法。受力极限并采用正确的安装方法。其次，对设备要定期做探伤检查，其次，对设备要定期做探伤检查，无损检测等，预防裂纹的扩展，无损检测等，预防裂纹的扩展，及时处理，避免事故的发生。及时处理，避免事故的发生。第17页/共19页LOGO中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）欢迎批评指导欢迎批评指导第18页/共19页感感谢您的您的观看。看。第19页/共19页