液壓缸筒焊接接頭斷裂失效分析

李 騰 高 楊 武麗明 楊少華 袁 里 趙 燕

液壓缸筒焊接接頭斷裂失效分析

李 騰1高 楊2武麗明1楊少華2袁 里1趙 燕1

（1. 山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，長治 046012；2. 火箭軍駐某軍事代表室，長治 046012）

液壓油缸在整機(jī)裝配過程中缸筒焊接接頭焊縫開裂，取斷裂的焊接接頭進(jìn)行形貌觀察、成分分析、掃描電鏡觀察、金相分析及能譜分析。結(jié)果表明：由于焊前預(yù)熱不到位、焊后保溫不及時，導(dǎo)致缸筒焊接接頭焊縫熱影響區(qū)出現(xiàn)馬氏體組織，在應(yīng)力腐蝕作用下，形成脆性裂紋，后期焊接熱影響區(qū)在殘余應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的作用下，裂紋逐步擴(kuò)展發(fā)生斷裂。

40Cr鋼焊接；斷裂；應(yīng)力腐蝕

1 引言

40Cr鋼是一種應(yīng)用廣泛的中碳調(diào)質(zhì)鋼，具有較高的淬透性和良好的綜合力學(xué)性能，疲勞強(qiáng)度高。用于制造較重要的在交變載荷下工作的產(chǎn)品零件[1]，作為調(diào)質(zhì)鋼廣泛應(yīng)用于航天各類機(jī)械產(chǎn)品中。

液壓油缸是液壓系統(tǒng)產(chǎn)品中重要的執(zhí)行元件，缸筒是液壓油缸的主要部件，而缸筒焊接接頭斷裂會引起液壓油缸滲漏，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)工作失效。某產(chǎn)品液壓油缸缸筒焊接接頭在使用過程中接頭斷裂，取斷裂的接頭進(jìn)行宏觀及微觀分析，找到接頭斷裂失效的根本原因，針對性采取工藝措施，提高后續(xù)接頭的焊接質(zhì)量。

2 現(xiàn)象分析

圖1 接頭外觀形貌

接頭所用材料為40Cr，調(diào)質(zhì)處理硬度HB250～280，接頭斷裂位置位于焊縫區(qū)域附近。接頭外觀形貌見圖1，斷裂位置位于距根部約6mm處，未發(fā)現(xiàn)明顯塑性變形，接頭表面的漆層較為完好，無明顯破損現(xiàn)象。

實體顯微鏡下觀察，如圖2a所示斷口部位凹凸不平，斷面包括界線分明的兩部分：弧長約2/3周長范圍內(nèi)外圈斷面呈灰黑色，斷面最大深度約2.3mm，約占總壁厚的1/2，如圖2b所示；其余斷面呈纖維狀，有金屬光澤，根據(jù)上述形貌特征判斷，灰黑色斷面應(yīng)為陳舊性裂紋，如圖2c所示。

圖2 端口部位顯微鏡下觀察圖

3 理化檢驗

3.1 原材料成分分析

取斷裂的接頭進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。

表1 活塞桿化學(xué)成分 %

由上述檢驗結(jié)果可知，接頭所用材料40Cr符合GB/T3077—1999的要求。

3.2 金相分析

為確定接頭斷裂位置，以接頭斷口區(qū)域為研究對象，通過制備試樣、金相觀測，得出以下結(jié)果：沿晶斷口區(qū)域附近有明顯的沿晶二次裂紋，接頭外表漆層完好無破損；斷口區(qū)域附近為馬氏體組織，遠(yuǎn)離斷口組織為索氏體組織，斷口斷裂區(qū)一側(cè)存在少量焊縫，根據(jù)組織形態(tài)判斷，接頭斷裂位置位于焊接熱影響區(qū)。具體見圖3a、圖3b。

圖3 斷口區(qū)域微觀圖

3.3 掃描電鏡分析

通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，斷口起源于外表面，為多處起裂，灰黑色斷面整體為沿晶形貌，晶面上應(yīng)力腐蝕情況較為嚴(yán)重，多處存在微孔狀形態(tài)，同時仍發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域存在沿晶二次裂紋；金屬色斷面部位呈韌窩形貌，存在條形狀夾雜物。微觀形貌見圖4a、圖4b。

3.4 能譜分析

從接頭上切取斷面試樣放置于掃描電鏡下進(jìn)行能譜分析，如圖5a所示，韌窩區(qū)域主要含有Fe（主）、Cr（1.5%）、Mn（1.1%）、Si（0.4%）元素，主合金元素及含量與40Cr牌號相符；如圖5b所示，沿晶區(qū)域除基體元素外還含有O元素及腐蝕性介質(zhì)S元素，夾雜物主要含有Mn、S、Fe元素，應(yīng)為硫化物夾雜。

4 分析與討論

4.1 機(jī)理分析

根據(jù)以上分析得出，接頭斷裂位置距根部約6mm，斷口位置無明顯塑性變形，斷裂區(qū)域有焊接冷裂紋，通過對斷口微觀形貌觀測，初步確定應(yīng)力腐蝕為產(chǎn)生裂紋的根源；通過能譜分析發(fā)現(xiàn)，沿晶區(qū)域存在氧元素及硫元素，該部分?jǐn)嗝鏋殛惻f裂紋；其余斷面區(qū)域有金屬色光澤，微觀狀態(tài)為韌窩形貌，由裂紋快速擴(kuò)展形成。通過實驗測量及觀測，經(jīng)分析本次液壓缸筒斷裂模式為脆性延遲斷裂，其根源為應(yīng)力腐蝕。

40Cr鋼屬于中碳合金調(diào)質(zhì)鋼，有較大的焊接冷裂傾向[2，3]。這種鋼在不預(yù)熱的情況下焊接，粗晶區(qū)中幾乎不可避免地出現(xiàn)孿晶馬氏體[4]，馬氏體是產(chǎn)生冷裂紋的先決條件。焊前預(yù)熱不到位、焊后保溫不充分，導(dǎo)致馬氏體在焊接過程中冷卻過快產(chǎn)生。

延遲斷裂是焊接接頭應(yīng)力腐蝕失效的典型特征，該缺陷產(chǎn)生的根源在于接頭區(qū)域受拉應(yīng)力、腐蝕介質(zhì)的雙重作用。液壓缸筒焊接接頭焊縫為環(huán)焊縫，焊縫及其附近區(qū)域存在較高的殘余應(yīng)力；接頭隨部件進(jìn)行氧化處理后，在焊接熱影響區(qū)存在的較大殘余應(yīng)力與表面腐蝕介質(zhì)的雙重影響下，發(fā)生應(yīng)力腐蝕，形成脆性裂紋損傷（陳舊裂紋），后續(xù)使用過程中裂紋損傷快速擴(kuò)展發(fā)生斷裂。

4.2 改進(jìn)建議

a. 制定合適的焊前預(yù)熱和焊后熱處理工藝并按要求嚴(yán)格執(zhí)行。

b. 應(yīng)選擇熱能集中、能力密度大的焊接方法。以氣體保護(hù)焊為好，尤其是鎢極氬弧焊，它的熱量較易控制，焊接質(zhì)量易保證[1]。

5 結(jié)束語

通過觀察與分析，接頭斷裂位置位于焊縫熱影響區(qū)，發(fā)生斷裂的原因是由于焊接接頭焊前預(yù)熱不到位、焊后保溫不充分，導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)出現(xiàn)針狀馬氏體，表面發(fā)生應(yīng)力腐蝕，形成脆性裂紋損傷（陳舊裂紋），后期焊接熱影響區(qū)在較大殘余應(yīng)力與表面腐蝕介質(zhì)的雙重影響下，裂紋損傷發(fā)生快速擴(kuò)展發(fā)生斷裂。

1 陳祝年. 焊接工程師手冊[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2002

2 劉群奇,李平. 40Cr電動機(jī)傳動軸軸徑的焊補(bǔ)及焊后加工工藝[J]. 煤礦機(jī)械，2010，31(7)：97～99

3 孫燕. ZG270-500與40Cr的焊接[J].焊接技術(shù),2009,38(6)：58～59

4 彭西洋,王春芬. 40Cr鋼法蘭焊接接頭斷裂原因分析[J]. 新技術(shù)新工藝，2012，27(2)：77～79

Fracture Failure Analysis of Welded Joint of Hydraulic Cylinder

Li Teng1Gao Yang2Wu Liming1Yang Shaohua2Yuan Li1Zhao Yan1

(1. Shanxi Aerospace Qinghua Equipment Co., Ltd., Changzhi 046012；2. Representative Office of Rocket Force, Changzhi 046012)

During the assembly process of the hydraulic cylinder, the welding seam of the welded joint of the cylinder barrel cracked. The broken welded joint was analyzed by morphology observation, composition analysis, scanning electron microscope observation, metallographic analysis and energy spectrum analysis. The results show that the martensite structure appears in the weld heat affected zone of the cylinder welded joint due to the lack of preheating before welding and the delay of heat preservation after welding. Under the action of stress corrosion, brittle cracks are formed. Under the action of residual stress and corrosive media, cracks gradually expand and fracture occur in the welding heat affected zone in the later stage.

40cr steel welding；fracture；stress corrosion

TG441.7

A

李騰（1988），工程師，機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)；研究方向：機(jī)械制造工藝。

2021-03-04