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1、焊接接头的失效分析焊接接头的失效分析 焊接接头焊接接头的失效除了与焊接工艺有关外，还与选材和设计有重要的失效除了与焊接工艺有关外，还与选材和设计有重要关系关系，通过通过失效分析发现和认识在选材、设计和施工等方面的问题失效分析发现和认识在选材、设计和施工等方面的问题，可以可以减少减少因脆断、疲劳、应力腐蚀、磨损等失效造成的因脆断、疲劳、应力腐蚀、磨损等失效造成的损失损失。1.钢轨闪光焊钢轨闪光焊焊接接头焊接接头2.油缸缸体与缸底油缸缸体与缸底焊接接头焊接接头3.同种钢和异种同种钢和异种钢钢高温下高温下焊接接头焊接接头1.钢轨闪光焊焊接接头的失效分析钢轨闪光焊焊接接头的失效分析使用 U75V（热轧
2、状态）钢轨，采用 UN5-150G 焊机、脉动闪光焊工艺进行闪光焊焊接成无缝长轨。1.1断口宏观断口宏观形貌形貌探伤发现缺欠位于接头的内部1.2 微观形貌微观形貌采用扫描电镜对断口进行观察 图C为断口黑色物质，呈现熔融状态。缺欠分界处为解理形貌，灰 斑处则为韧窝形貌。另一处 不同的是在出现疲劳台阶，灰斑边界外无疲劳台阶，而是落锤 引起的解理形貌。1.3 失效分析失效分析由以上检验可知，钢轨母材的非金属夹杂物、组织和成分均属正常。钢轨属疲劳断裂。断口端面上的熔融状表层和火坑是由于闪光焊过程中工艺异常等原因所致，顶锻不足，使焊口处熔融金属层难以排净，火口难以封闭，形成了薄弱部位，降低了钢轨接头的承
3、载能力。钢轨接头表面金属组织为珠光体+微量铁素体，说明接头的表面焊后冷速正常。而踏面以下 4.5 mm 处焊缝出现粗大马氏体的异常现象，表明接头内部冷速过快。此现象与正常的钢轨接头焊后冷却规律相反，一般是接头表面冷却速度较快，而内部冷却速度较慢。由此表明，出现异常现象的原因是焊后接头正火工序中，当表面温度下降到相变温度以下，而内部仍在相变温度以上时，采取了强制浇水冷却的方式冷却，导致异常现象发生。1.4 结论结论此试验钢轨闪光焊焊接接头失效主要是由于工艺异常和焊缝组织不良造成的。2.油缸缸体与缸底焊接接头失效分析油缸缸体与缸底焊接接头失效分析油缸是液压支架中极为重要的部件。焊接结构的油缸构造简
4、单、尺寸小、重量轻，是一种被广泛采用的油缸结构形式。实验采用 金相显微镜对焊接接头各部位显微组织进行了观察分析；夏比冲击功测试；SEM 断口形貌分析。2.1 金相观察金相观察从图 1可看出，母材组织为不完全回火马氏体(低碳马氏体)，具有一定的韧性。从图 2可看出，焊缝组织多为针状铁素体和细晶铁素体,同时也存在少量的贝氏体组织。从图 3可以观察到奥氏体至马氏体相变的原奥氏体晶界。同时，存在许多成群、相互平行排列的板条组成，这即为板条马氏体。通过焊接接头的金相分析发现，焊接接头各个部位的组织都是正常的，是具有一定韧性的组织。这种组织状态发生脆断的可能性很小。2.2 夏比冲击试验夏比冲击试验为了对断
5、裂失效机制进行分析，应对焊缝、母材 和 HAZ 的韧脆转变温度进行测试。从带断口的试 样毛坯截取母材、焊缝和 HAZ 的试件，并在韧脆 转变温度区间进行了夏比冲击功测试，试验温度 分别为室温(25)、10、0、-10。试验后将 试验结果的平均值按照 ASTMA370 的转换规则查 表得到 10mm10mm55mm 的标准试样的等 效夏比冲击功值，将转换结果绘制于图 2 中。对比母材、焊缝、HAZ 的夏比冲击值可知，母材的冲击韧性最差，焊缝和 HAZ 的韧性较高。随着温度的降低，母材夏比冲击功值呈现平滑下降的趋势；焊缝和 HAZ 夏比冲击功值并没有明显的变化。在室温条件下，母材夏比冲击功的最大值
6、为 41J,最小值也达到了 31J，大于 27J(通常对材质规定的最小值要求)。平均值为 36J,略大于 34J(通常对材质规定的平均值要求)。因此，虽不能排除该母材在室温条件下发生脆性断裂的可能性，但发生脆断的可能性很小，除非出现构件厚度过大、承受高应变速率的荷载的极端恶劣情况。但是，中缸起裂位置不是在母材而是在熔合线处，因此可以证明此失效为脆断的可能性较小。2.3 SEM 断口形貌断口形貌分析分析 将失效件沿裂纹处完全断开，断口宏观形 貌如图所示。可看出，宏观断口为典型 的平断口，较为平滑。断口焊缝根部一定 区域呈现出明显的贝壳状花纹痕迹的典型 疲劳断口特征。由微观sem图可看出，快速断裂
7、区的微 观断口基本为较小的等轴韧窝，这是延 性断口的特征，基本排除了该失效为脆 性断裂的可能性。鉴于快速断裂区呈现 延性断裂特征，扩展区呈现宏观断口具 有贝壳状花纹痕迹、微观断口呈现明显 的疲劳辉纹特征，据此判定该断裂 属于疲劳失效。2.4 失效分析失效分析基于对中缸底焊接接头的金相组织观察确定了各部位组织均具有一定程度的韧性，未出现异常组织，如魏氏体组织等。夏比冲击试验表明了母材的冲击韧性较小而热影响区的冲击韧性较大。个别母材试样的冲击值虽小，但是其平均值仍然满足材质的最小平均冲击值要求，因此母材发生脆断的可能性很小。由于快速断裂区呈现延性断裂特征（等轴韧窝），扩展区呈现宏观断口具有贝壳状花
8、纹痕迹、微观断口呈现明显的疲劳辉纹特征，据此判定该断裂属于疲劳失效。3.同种钢和异种钢在高温下焊接接头失效分析同种钢和异种钢在高温下焊接接头失效分析众所周知，火电行业承压高温设备和管道常采用焊接工艺，由此得到的在高温下服役的焊接件成为最关键的结构元件之一。通过分析P92 钢焊接接头的各微区的抗蠕变性能，来判断焊接接头失效的原因。分析P92 钢焊接接头的各微区的抗蠕变性能需要对其进行高温下的持久试验，得到焊接接头的断裂时间，断裂位置及不同时间的发展情况。试验用持久试样从 P92 钢管环焊缝接头部位截取，取样时让焊接接头处于试样的中心，然后根据标准试样进行加工。高温持久试验是在 RC-3100 持
9、久试验机上进行本试验根据P92 钢实际的运行温度和运行的应力水平，采用加速试验的方法预测 P92 钢焊接接头的蠕变性能，采用的试验应力为 70MPa，温度为 650。材料在高温环境下，伴随着蠕变变形会发生蠕变损伤，其表现形式为内部产生微空洞，当损伤发展到一定程度，就会产生微裂纹，微裂纹的扩展和长大导致构件破坏。P92 钢焊接接头的持久试样的不同时间的蠕变损伤发展情况，在 70MPa、650下进行了不同蠕变时间的高温持久试验，分为 3000h、4000h、7000h、直至断裂的试样。持久试验后，对不同蠕变时间的持久试样以及未进行持久试验的原始焊接接头试样，在焊接接头处取样（保证焊缝位于所取试样的
10、中间，即热影响区对称分布），分别进行金相分析、扫描电镜和透射电镜（TEM）分析，研究分析焊接接头的失效。3.1焊接热影响区组织的焊接热影响区组织的模拟模拟利用热处理方法，对 P92 钢母材进行焊接热循环模拟，获得粗晶区和细晶区的模拟组织试样。热影响区组织模拟主要有三种方法：1.感应加热到峰值温度保持一定时间，并随后在油中冷却法；2.用盐浴加热到峰值温度保温一定时间，随后在低温的盐浴炉中冷却；3.采用 Gleeble 焊接热模拟机法；本试验采用焊接热模拟机法。通过模拟热影响区组织的硬度与显微组织分析 可以看出模拟组织和实际 HAZ 组织的大小不均匀的回火马氏体和碳化物，为典型的不完全重火区组织，
11、又称为临界区组织；通过其他温度的对比，说明采用的热处理工艺可以制备出有效的模拟 热影响焊接接头组织的试样。3.2 焊接接头的蠕变性能。单轴蠕变试验是在CSS3910型电子高温持久蠕变试验机上进行，分别对细晶区、粗晶区模拟组织试样以及从实际92P焊接管道中截取的母材和焊缝蠕变试样进行试验。试验结果表明：母材、焊缝金属、粗晶区相比,细晶区在较低的应力下具有较高的最小蠕变速率和较短的破断时间，是焊接接头的薄弱区域。3.3 结论结论 异种钢接头附近是一个成分、组织、性能和应力场的不均匀体。造成奥氏体和低合金钢异种钢接头失效的原因是多方面的，既与焊接接头本身(气孔、未焊透、未熔合、裂纹、腐蚀缺口以及夹渣等)有关，也与焊接工艺和运行状况有关。4.总结总结通过对钢轨闪光焊焊接接头、油缸缸体与缸底焊接接头、同种钢和异种钢焊接接头高温下、汽车排气系统焊接疲劳失效的研究，焊接接头的失效除了与焊接工艺有关外，还与选材和设计、母材材质和焊接接头缺陷、焊接工艺条件等有着密切的关系。我们可以通过选用合适的钢材采、制定完善的焊接工艺和改变焊接的方法来改善焊接接头的失效，通过科学推算，及式样集，提早预防因焊接接头失效带来的损失。谢 谢