熱水器內膽焊縫熱影響區缺陷分析

湯亨強，吳 浩

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽馬鞍山243000）

熱水器內膽焊縫熱影響區缺陷分析

湯亨強，吳 浩

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽馬鞍山243000）

對熱水器內膽進行水壓測試時，水管環焊縫周邊開裂是導致產品不合格的主要因素，給企業帶來較大損失。以某品牌熱水器內膽為研究對象，借助掃描電鏡、金相顯微鏡和宏觀觀察等檢測手段探討并分析出現水壓開裂的原因。研究表明，熱影響區在焊接前受到塑性變形，易形成應力集中，存在摩爾形變儲存能Es，在受到焊接熱輸入時，該處晶粒易發生再結晶并逐漸長大，形成粗大晶粒，導致水壓測試時焊縫出現裂縫甚至斷裂。

熱水器內膽；焊縫開裂；水壓測試；熱影響區

0 前言

熱水器內膽的質量是影響整個熱水器質量的重要因素。目前熱水器內膽多采用冷軋薄板加工，加工工序為：下料→沖壓→清洗→卷圓→焊接→涂搪→搪燒→水壓測試→包裝。由于容器內部液體冷熱變化和進出水壓力非線性變化等因素的影響，熱水器內膽長期受到高頻率變化的內在壓力，因此對內膽所承受的循環壓力的能力提出了更高要求[1－2]。

某熱水器廠在使用某種普通冷軋薄板生產熱水器內膽時做水壓檢測，焊縫熱影響區出現裂紋。本研究通過檢測分析缺陷處，探討出現缺陷的主要影響因素，探索改善熱水器內膽抗水壓能力的方法。

1 試驗方法

該品牌熱水器內膽采用國內某鋼廠生產的冷軋搪瓷用鋼，其化學成分如表1所示。

表1 材料化學成分Table 1 Chemical composition of materials %

拆解該內膽，對熱水器內膽開裂漏水部位及周邊區域進行宏觀觀察，并采用Quantan450型掃描電鏡分析斷口形貌特點，再使用金相砂紙打磨缺陷處薄板橫截面至2000#后精拋光，然后采用3%的硝酸酒精刻蝕，借助Axio Imager A2m型光學顯微鏡進行金相觀察。

2 試驗結果和分析

2.1 宏觀分析

采用CO2氣體保護焊將該熱水器內膽的水管與筒身相連接，焊縫外觀照片如圖1所示。其中1處和2處均有裂紋產生，經測量開裂處屬于熱影響區，距離焊縫約5 mm，并且環繞焊縫。另外，發生泄露區域在焊接前經過沖孔和壓平工序，材料發生少量減薄和塑性變形。在進行水壓測試時，減薄區域會發生應力集中，這與文獻[3]類似。

為簡化工藝，在此只對開裂區（圖1標注虛線區域）制金相試樣做金相組織和斷裂掃描分析。

2.2 斷口掃描分析

斷口邊部和心部掃描組織形貌如圖2、圖3所示。斷口處呈兩種典型斷裂形貌，邊部區域呈河流花樣，為典型的脆性斷裂特點；心部區域有少量韌窩，為韌性斷裂特點。張雪[4]等人研究呈河流花樣的斷口時指出，在受到外力時易形成裂紋源，裂紋也容易擴展。

2.3 金相組織分析

焊縫處的金相組織如圖4所示。由圖4a可知，焊縫區域組織由鐵素體、珠光體以及少量貝氏體組成。由圖4b、4c可知，開裂區域主要由粗大的鐵素體組成，并且斷口有明顯緊縮現象，說明斷裂是在受到外力影響下發生。從斷口圖片的下半部分可以發現粗大晶粒心部有少量細小晶粒（見圖4b）。結合圖2和圖3可知，斷口處的粗大晶粒處呈河流花樣，為典型脆性斷裂特征，而心部少量的細小晶粒呈韌窩狀，為韌性斷裂特征。圖4b上半部分斷裂處晶粒形態如圖4c所示，斷裂區域晶粒異常粗大。而更為接近焊縫區域的受到熱輸入更多的晶粒卻未發生明顯粗化，如圖4d上半部分所示。粗晶區（見圖4c）的機械性能較細晶區（圖4d）明顯下降，這是誘發水壓試驗出現斷裂的主要原因之一。

圖2 邊部掃描組織形貌Fig.2 SEM microstructure of the edge

圖3 心部掃描組織Fig.3 SEM microstructure of the heart

發生晶粒粗化主要是由于該處晶粒發生了靜態再結晶，再結晶的過程包括晶粒的形核和長大。斷口處在焊接前經過沖孔壓平工序，發生了塑性變形，出現加工硬化。該部分晶粒區域畸變能和位錯密度的增加，使該區域晶粒處于一個相對亞穩態的狀態。在高畸變能的誘發下，高位錯密度區域原子更易形成再結晶形核[5]。一旦受到熱輸入，亞穩態晶粒會率先發生再結晶，從而長大。

圖4 裂縫處的金相組織Fig.4 Microstructure of cracks

2.4 焊縫區域再結晶影響分析

焊縫區域發生回復、再結晶主要取決于晶粒內部的儲能大小、高溫停留時間、第二相粒子的大小等。回復完成后，發生再結晶的體積分數與時間表示為

式中 K為常數；n為與形變再結晶發生溫度有關的常數；t為恒溫保持溫度（單位：K）；φ為再結晶體積分數。

由式（1）可知，發生再結晶的體積分數隨保溫時間的延長而逐漸增多，特別是受熱初期保溫時間對體積分數的影響顯著。焊接時高溫停留時間越長，回復再結晶發生晶粒數量越多。所以要控制熱影響區的發生再結晶的晶粒體積分數，應盡量減少熱影響區在高溫下的停留時間。

此外，再結晶晶粒尺寸是水壓試驗發生斷裂的另一重要原因，晶粒越大，越易發生裂紋，如圖4c所示。而影響再結晶晶粒尺寸的d由形核速率N與晶粒生產速度G共同決定。三者的近似關系為

式中 d為發生再結晶時晶粒中心的平均間距；K為常數；G為用發生再結晶時晶粒半價對時間t的導數；N為用單位時間內形核數與未發生再結晶部分體積商。

靜態再結晶發生時晶粒生產速度G表示為

式中 B為晶截遷移速率；Es為摩爾形變儲存能；λ為常數。

由于沖孔壓平處發生形變，大量晶粒畸變和位錯聚集該處，較多的畸變能導致晶粒的摩爾儲存能數量增多。由式（3）可知，隨著摩爾儲存能Es的增大，晶粒生產速度G呈線性增長。文獻[7]認為形核速率N比晶粒生長速度G增加更快。但實際該處晶體明顯粗化，摩爾儲存能對晶粒長大速度的影響更為顯著。

由于晶粒粗化會導致薄板的機械性能顯著下降，因此在熱水器內膽生產過程中應調整工藝，降低恒溫保持溫度t，減少摩爾形變儲存能Es。另外，由于再結晶形核點有部分是在晶界上完成，細小的原始晶粒也有利于形成更多形核點，再結晶數量增多，抑制晶粒長大。

3 原因分析和建議

綜上分析，熱水器內膽在做水壓試驗時，發生泄漏主要原因如下：

（1）沖孔壓平工序導致內膽材料在該處發生塑性變形，一旦有外力作用，易形成應力集中，從而導致材料發生緊縮開裂。

（2）斷口處斷裂形貌大部分為河流花樣，裂紋易擴展。金相組織顯示該處晶粒粗大，機械性能較母材和熱影響其他區域差，焊接熱輸入是晶粒長大的主要原因之一。

（3）由于焊接前斷口處受到塑性變形，導致摩爾形變儲存能Es增大，受到焊接熱輸入后，該處易發生再結晶，晶粒也更易長大，因此該處晶粒較粗大，受到外力作用時易發生斷裂。

考慮以上幾點，給予如下建議：

（1）選擇晶粒更為細小的母材組織，原始晶粒細小會使發生再結晶的形核點增多，對發生再結晶后晶粒細化有顯著影響。

（2）減少沖壓壓平工序材料塑性變形量，以減輕在受到水壓時該處的應力集中，降低發生斷裂的風險。另外也減少該處摩爾形變儲存能Es，減少發生再結晶時晶粒的體積分數和晶粒生產速度。

（3）減少焊接熱輸入，調整焊槍運行軌跡，適當提高焊接速度，也可以減少熱影響區熱輸入量。

[1]王曉嶺，童朱玨，方藝.熱水器容器脈沖壓力試驗要求分析及儀器設計[J].電子質量，2011（5）：64-65.

[2] 賽德隆電氣有限公司.提高內膽質量的4項措施[J].現代家電，2003（5）：39-40.

[3]朱小均.大型工藝站場不等壁厚對接焊[J].電焊機，2015，45（5）：203-205.

[4]張雪，程赫明，李建云等.T10鋼經常壓高速氣霧淬火工藝處理后組織及性能的研究[J].熱加工工藝，2015，44（6）：219-222.

[5]趙國強，魏英華，李京.熱水器內膽腐蝕原因的電化學分析[J].腐蝕科學與防護技術，2015，27（4）：371-374.

[6]毛穎.管線鋼X65靜態再結晶行為的研究[D].湖北：武漢科技大學，2014：15-17.

[7]M I VEGA，S F MEDINA，M CHAPA，et al.Determinationof Critical Temperatures（Tnr，Ar3，Ar1）inHot Rolling of Structural Steels with Different Tiand N Contents[J].ISIJInt.，1999，39（12）：1304-1310.

Study on the defect of heat affected zone of welds on water heater tank

TANG Hengqiang，WU Hao
（Maanshan Iron&Steel Co.，Ltd.，Ma’anshan 243000，China）

When carrying out a water pressure test on a water tank，the cracks around the welds are the main factor that make it unqualified，which causes huge lost to a company.A certain water heater tank is selected as the sample of study in this paper，through the SEM，metalloscope and macroscopic observation，the reasons of cracks under water pressure are discussed and analyzed.The result shows that the plastic deformation of heat affected zone occurring before welding can easily causes stress concentration and produces Mole Distortion Energy Es，where the grains will easily recrystallize and gradually grow up within the welding heat input，and then big grains are formed，which causes the cracks even fracture during the water pressure test.

water heater tank；weld crack；water pressure test；HAZ

TG441.7

B

1001－2303（2017）05－0129-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.05.28

2016-12-14；

2016-12-20

湯亨強（1984—），男，工程師，碩士，主要從事產品開發工作。E-mail：masthq@126.com。

本文參考文獻引用格式：湯亨強，吳浩.熱水器內膽焊縫熱影響區缺陷分析[J].電焊機，2017，47（05）：129-132.