304不銹鋼管管套裝搭接焊接結構失效分析

張 新，梅 明，趙 庭

（西安德森新能源裝備有限公司，西安 710000）

1 概 述

管管套裝搭接焊接結構是一種以厚壁管套在薄壁管外的結構，其中厚壁管內徑與薄壁管外徑的設計尺寸一致，僅在機械加工時要求，厚壁管內徑按照上偏差，薄壁管外徑按照下偏差，直徑差值控制在0.2～0.3 mm，保證薄壁管可以套入厚壁管。 管管套裝焊接結構使用狀態下的剖面如圖1所示。

圖1 管管套裝焊接結構使用狀態下的剖面圖

圖1 所示的焊接結構件是一種焊接絕熱氣瓶的出液管由夾層穿出到外部的結構形式，由于夾層內側無法焊接，故只能在外部對結構進行焊接。該焊接結構可以增大薄壁管所承受的剪切力，由于結構限制僅在單側焊接，自身具有一定的徑向緩沖間隙，因此在疲勞載荷下使用具有一定優勢。

目前焊接絕熱氣瓶使用的主要材質均為304奧氏體不銹鋼，該材質具有良好的焊接性，當經歷焊接熱輸入的作用之后，其組織會發生變化，如果前期處理工藝不當就會產生焊接質量問題。本研究采用化學成分檢測、 金相組織、 斷口形貌等分析方法，并結合其結構特點和使用工況，對304 奧氏體不銹鋼管管套裝搭接焊接結構進行了分析，研究該焊接結構件失效的主要原因。

2 管管套裝搭接焊接結構件失效狀況

某管管套裝焊接結構件縱向剖面實物及其宏觀裂紋照片如圖2 所示。 圖2 （a） 中，通液薄壁管①的規格為 Φ10mm×2 mm×100 mm，厚壁管②的規格為Φ22 mm×12 mm×30 mm，外套管③的規格為Φ30 mm×8 mm×15 mm，外套管④的規格為 Φ30 mm×8 mm×20 mm。 該焊接結構件在實際工況下失效，導致焊接絕熱氣瓶夾層真空被破壞。 相關技術人員采用滲透檢測和宏觀金相觀察發現，失效位置位于通液薄壁管①與厚壁管②連接焊縫背面處，缺陷類型為穿透性裂紋，裂紋沿通液薄壁管壁厚方向 （見圖2 （b）），裂紋邊緣光滑無齒狀彎折，其他位置未發現裂紋等缺陷。

圖2 某管管套裝焊接結構件縱向剖面實物及其宏觀裂紋照片

3 試驗過程

3.1 化學成分檢測

管管套裝焊接失效結構件為太原鋼鐵 （集團）有限公司生產的304 奧氏體不銹鋼管加工的管接頭，不銹鋼管執行GB/T 14976—2012 《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》 標準，不銹鋼棒執行GB/T 1220—2016 《不銹鋼棒》 標準。 焊材為 Φ2.0 mm的ER308L 不銹鋼實芯焊絲，執行 YB/T 2092—2005 《焊接用不銹鋼絲》 標準。 304 奧氏體不銹鋼管、 鋼棒及ER308L 焊絲的化學成分見表1。

將表 1 中 304 奧氏體不銹鋼管、 鋼棒及ER308L 焊絲的化學成分與相關標準對比，結果均符合要求。 采用手工TIG 焊接方法焊接各零部件，其中通液薄壁管與內部套管的焊接參數為：電流 （150±5） A，電壓 （11.5±0.5） V，焊接速度100 mm/min，焊后焊縫空氣冷卻。

表1 304 奧氏體不銹鋼管、 鋼棒及ER308L 焊絲的化學成分

3.2 金相顯微組織觀察

圖3 裂紋附近的金相組織

參照GB/T 3375—1994 進行焊接缺陷及組織分析，分別對通液薄壁管與內部套管接頭裂紋區附近組織進行了顯微組織觀察，觀察結果如圖3 所示。 焊接接頭主要分為焊縫區、 熔合線和熱影響區，熱影響區又分為過熱區，正火區和部分相變區。 由圖3 （c） 和圖3 （d） 可以看出，母材為單一的奧氏體組織，焊縫區基體為奧氏體組織，同時分布著方向較強的鐵素體，熱影響區的奧氏體組織晶粒粗大，有少量鐵素體析出，但區域寬度較小。 起裂位置位于焊縫熔合線位置，裂紋在發展過程中穿過母材而斷裂，即裂紋起裂后迅速發展至全部穿透性裂紋。3.3 裂紋斷口形貌觀察

通過掃描電子顯微鏡 （SEM） 對失效件斷裂的通液薄壁管斷口形貌進行觀察，結果如圖4 所示。

圖4 裂紋斷口SEM 形貌

由圖4 （a） 和圖4 （b） 可見，斷口比較平滑，屬于脆性疲勞斷裂。 圖4 （c） 可以看出，起裂位置比較平整，且起裂后裂紋繼續在疲勞斷裂的初始階段； 由圖4 （e） 可見，裂紋擴展區存在明顯均勻發展的疲勞條紋 （類似海灘帶條）； 由圖4 （f）可見，瞬斷區疲勞裂紋已經變成非均勻發展的疲勞帶條紋，且在最終斷裂區域有明顯解理面出現。

通過基體掃描和EDS 分析觀察圖4 （b） 中的黑色物質，結果見圖5 和表2。 分析結果表明，該黑色物質為GaO 顆粒，為制備試樣時摻入的雜質。通過基體掃描和EDS 分析觀察圖4 （c） 中的黑點，結果見圖6 和表3。 分析結果表明，黑點與母材成分相近，是由于疲勞裂紋擴展過程中裂紋兩側相互撞擊形成的小平臺。

圖5 圖4 （b） 中黑色物質的SEM 形貌和 EDS 圖譜

表2 圖4 （b） 中黑色物質的能譜分析結果

圖6 圖4 （c） 中黑點 SEM 形貌和 EDS 圖譜

表3 圖4 （c） 中黑點的能譜分析結果

4 試驗結果分析與討論

4.1 材料分析

由表1 化學分析結果可見，母材與焊材的化學成分均符合相關標準的要求。

4.2 金相組織分析

由于熔合線區域的微觀行為十分復雜，焊縫與母材的不規則結合，形成了參差不齊的分界面。此區域的范圍雖然很窄，但由于其組織均勻性較差，故對焊接接頭的強度、 韌性的影響較大，也是大多數裂紋、 脆性破壞的發源地。 圖2 （a） 中起裂位置位于通液薄壁管外徑與厚壁管內徑及兩者連接焊縫背面根部位置，該位置是尖銳夾角，同時也是焊縫與母材連接的位置，容易形成高倍數的應力集中，因此一旦起裂，裂紋就會快速發展，這與圖2 （b） 和圖3 （b） 中裂紋在擴展過程中路徑平直的情況相吻合。 而且由于裂紋起裂后疲勞載荷持續不斷施加力的作用，導致裂紋有足夠的能量可以沿母材繼續擴展。

4.3 斷口形貌分析

斷口形貌為典型的疲勞斷裂形貌，起裂端斷口平滑，裂紋擴展區疲勞帶條紋均勻發展，最后在瞬斷區斷裂，瞬斷區有明顯的解理臺面。

5 結 論

通過對304 不銹鋼管管套裝搭接焊接結構失效件進行化學成分、 金相組織、 斷口形貌的分析，并結合其結構特點，得出了以下幾點結論：

（1） 管管套裝搭接焊接結構件由于結構本身的特點，易在通液薄壁管外徑與厚壁管內徑及兩者連接焊縫背面根部的位置產生應力集中，加之該處是熔合線位置，組織均勻性較差，故容易導致結構件的開裂。

（2） 管管套裝搭接焊接結構的斷裂失效模式是疲勞脆性斷裂。