某離心式風扇斷裂原因分析

(1. 中車資陽機車有限公司檢測中心, 資陽 641300; 2. 成都市海瑞產品質量技術檢測有限公司, 成都 610500)

某離心式風扇材料均采用3 mm厚Q345D鋼板，由底板、蓋板、環板和風葉通過角焊、塞焊工藝焊接組裝在一起[1-2]。該風扇安裝于轉軸上隨轉軸旋轉，轉速為1 600 r·min-1，在-40 ℃左右的環境下運行約7 200 h后發生斷裂。斷裂風扇的宏觀形貌如圖1所示，可見其多處位置發生斷裂，有兩處位置還發生了掉塊。為找出風扇斷裂的原因，筆者對其進行了檢驗和分析，以期此類事故不再發生。

圖1 斷裂風扇的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured fan

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

1.1.1 外觀宏觀觀察

由圖1可知，該離心式風扇的蓋板、風葉、底板處均分布有裂紋。蓋板上有兩處斷裂掉塊，兩處掉塊位置均位于蓋板與兩相鄰風葉焊接位置之間。蓋板上非掉塊位置的主裂紋沿蓋板和風葉焊接位置開裂，次生裂紋與主裂紋約呈45°沿蓋板擴展。此外蓋板有些位置還存在上翹變形現象。風葉上除分布有裂紋外，還存在變形現象，如圖2所示。

圖2 斷裂風扇風葉的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of blade of the fractured fan

1.1.2 斷口宏觀分析

將斷口清洗后進行觀察，如圖3所示，可見風葉與蓋板焊接位置的斷口磨損嚴重，掉塊另一側位于蓋板上的斷口較粗糙，其上分布有疲勞裂紋擴展痕跡。斷口一側的塞焊處存在孔洞缺陷，如圖4所示。

1.1.3 焊接位置處外觀質量檢查

該離心式風扇風葉與底板、蓋板處焊接位置均可見不規則、斷續分布的焊瘤，蓋板與其中一個風葉焊接位置處可見孔洞類缺陷，如圖5所示。

1.2 掃描電鏡分析

在斷裂風扇的斷口處取樣，采用蔡司EVO18型鎢燈絲掃描電鏡(SEM)對其進行分析，取樣位置如圖6所示，塞焊位置斷口SEM形貌如圖7所示。可見整個斷面磨損嚴重，其中A區域存在夾渣缺陷，如圖8～10所示。

圖3 斷口宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of fracture

圖4 孔洞缺陷宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of hole defects

圖5 焊接位置處焊瘤及孔洞缺陷宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of a) welding bead and b) hole defects at welding position

圖6 斷口取樣位置示意圖Fig.6 Diagram of fracture sampling locations

圖7 塞焊位置斷口SEM形貌Fig.7 SEM morphology of plug welding position of fracture

圖8 A區域斷口SEM形貌Fig.8 SEM morphology of fracture of zone A

圖9 A區域夾渣缺陷SEM形貌Fig.9 SEM morphology of slag inclusions of zone A

圖10 A區域能譜分析位置和分析結果Fig.10 The energy spectrum analysis a) position and b) results of zone A

塞焊邊緣B區域斷口存在明顯的疲勞擴展弧線[3-5]，如圖11和圖12所示。非塞焊位置C區域斷口也分布有疲勞擴展弧線，起始區指向C區域右側，如圖13和圖14所示。可見斷口磨損嚴重，部分斷口上分布有明顯的疲勞擴展弧線。

1.3 化學成分分析

在斷裂風扇的蓋板上取樣，采用德國斯派克MAXxLMF06型直讀光譜儀對其進行化學成分分析，結果見表1。可見斷裂風扇的化學成分符合GB/T 1591—2008《低合金高強度結構鋼》對Q345D鋼的成分要求。

圖11 B區域斷口SEM形貌Fig.11 SEM morphology of fracture of zone B

表1 斷裂風扇的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of the fractured fan (mass fraction) %

圖12 B區域疲勞擴展弧線SEM形貌Fig.12 SEM morphology of fatigue growth arc of zone B

圖13 C區域斷口SEM形貌Fig.13 SEM morphology of fracture of zone C

圖14 C區域疲勞擴展弧線SEM形貌Fig.14 SEM morphology of fatigue growth arc of zone C

1.4 拉伸性能試驗

在斷裂風扇蓋板上取樣，采用UTM5305型電子萬能試驗機對其進行拉伸性能試驗，結果見表2。可見斷裂風扇的拉伸性能符合GB/T 1591—2018對Q345D鋼的技術要求。

1.5 金相檢驗

離心式風扇焊縫形式有3種，即塞焊和角焊的組合焊縫、塞焊焊縫、角焊縫，分別在3種焊縫位置取樣，采用XTL-3400C型體視顯微鏡進行宏觀觀察。

表2 拉伸性能試驗結果Tab.2 The test results of tensile properties

塞焊和角焊組合焊縫試樣存在根部未熔合和夾渣缺陷，如圖15所示。塞焊焊縫試樣取自于未完全開裂區域和完全開裂區域，部分區域存在未熔合缺陷，局部區域熔深過大，如圖16所示。角焊縫存在未熔合缺陷，如圖17所示。由圖15～17可見，該斷裂離心式風扇存在未熔合、未焊透和夾渣缺陷，圖紙要求未熔合缺陷不允許出現。

圖15 塞焊和角焊組合焊縫試樣宏觀金相形貌Fig.15 Macro metallographic morphology of combination of plug and fillet welds sample

圖16 塞焊焊縫試樣宏觀金相形貌Fig.16 Macro metallographic morphology of plug weld samples: a) incomplete cracked zone; b) complete cracked zone

圖17 角焊縫試樣宏觀金相形貌Fig.17 Macro metallographic morphology of fillet weld sample

在塞焊縫處取樣，采用DMM-480C型倒置式金相顯微鏡對其進行分析，如圖18～20所示。可見母材顯微組織為鐵素體+少量珠光體；焊縫區顯微組織為針條狀鐵素體+少量塊狀鐵素體+少量珠光體；熱影響區靠近熔合線處顯微組織為粗大針條狀鐵素體+珠光體+少量塊狀鐵素體。塞焊縫未焊透缺陷尾部裂紋微觀形貌如圖21所示，沿熔合線分布的裂紋微觀形貌如圖22所示。

圖18 母材顯微組織形貌Fig.18 Microstructure morphology of base metal

圖19 焊縫區顯微組織形貌Fig.19 Microstructure morphology of weld zone

圖20 熱影響區顯微組織形貌Fig.20 Microstructure morphology of heat affected zone: a) at low multiple; b) at high multiple

圖21 未焊透缺陷尾部裂紋微觀形貌Fig. 21 Micro morphology of crack at the end of incompletedefect

圖22 沿熔合線分布的裂紋微觀形貌Fig. 22 Micro morphology of cracks along the fusion line

1.6 硬度測試

根據GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》對斷裂風扇的焊接接頭進行維氏硬度測試，結果見表3。可見整個焊接接頭中熱影響區硬度最高為226 HV5，符合ISO 15614.1：2012《金屬材料工藝評定》中硬度不大于380 HV5的要求。

2 分析與討論

通過以上理化檢驗結果可知，該斷裂離心式風扇的化學成分、力學性能滿足GB/T 1591—2008對Q345D鋼的技術要求。焊縫表面外觀檢查結果表明，焊縫塞焊位置存在焊瘤、夾渣缺陷。焊縫金相檢驗結果表明，塞焊焊縫存在未焊透缺陷及熔深過大現象，角焊縫存在未熔合、夾渣缺陷；焊縫區顯微組織為針條狀鐵素體+少量塊狀鐵素體+少量珠光體，熱影響區靠近熔合線處顯微組織為粗大針條狀鐵素體+珠光體+少量塊狀鐵素體。焊縫區維氏硬度符合標準要求。

表3 焊接接頭硬度測試結果Tab.3 Hardness test results of welded joint HV5

該斷裂離心式風扇塞焊位置多處存在未焊透、夾渣缺陷及熔深過大現象。未焊透缺陷會明顯降低鋼結構的承載強度且易在未焊合的位置引起應力集中，使用過程中在交變載荷作用下，易引起疲勞開裂。夾渣缺陷破壞了基體的連續性，也會降低鋼結構的整體承載力。熔深過大會形成過大的焊接應力，在使用過程中焊接邊緣拉應力處容易開裂。

由以上分析可知，該離心式風扇在蓋板和風葉塞焊處產生疲勞開裂，在后續的運行過程中，疲勞源區碾合磨損嚴重(斷口呈現碾合的平面)。隨著風扇的繼續運行，疲勞裂紋擴展至蓋板上(蓋板上的斷口呈現疲勞條紋和瞬斷斷口的特征)。該離心式風扇斷裂起源于掉塊處的蓋板和風葉塞焊位置。

3 結論與建議

蓋板和風葉塞焊處產生疲勞開裂，在后續的運行過程中，疲勞源區碾合磨損嚴重，隨著風扇的繼續運行，疲勞裂紋擴展至蓋板上，使得該離心式風扇最終發生斷裂。

建議加強風扇焊接過程質量的控制，減少焊接缺陷，提高焊接質量；對焊接后的風扇進行去應力退火；在裝機前對風扇進行動平衡測試，以保證風扇的平穩運行。