半軸套管摩擦焊接開裂有哪些原因？

1.理化檢驗(yàn)

（1）宏觀分析

汽車后橋在安裝時(shí)將半軸套管與橋殼進(jìn)行焊接，焊接采用先進(jìn)的摩擦焊接工藝，半軸套管為經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理45#普碳鋼，與套管連接部位的板材為510L汽車大梁用熱軋鋼板。經(jīng)摩擦焊接后，距焊縫1mm左右的套管一側(cè)表層發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象，裂紋開口寬度為3mm，裂紋的長度超過20mm（見圖1）。

圖1  摩擦焊接開裂(實(shí)物) 

裂紋深度已經(jīng)貫穿半軸套管的整個(gè)壁厚，并沿摩擦焊接的擠出料底部呈圓弧狀斷裂（見圖2）。圖示左側(cè)淺灰色部分為510L低碳合金鋼板材，右側(cè)深灰色部分為45#鋼半軸套管。圖示中部焊縫熔合區(qū)附近的裂紋發(fā)生在距焊縫附近的套管基體中，由裂紋的V字型開口可以判定，裂紋源位于圖示下部的套管外表面，圖示上部呈牛角狀的為摩擦焊接的擠出料。將摩擦焊接的半軸套管與橋殼板材各個(gè)熱影響區(qū)域分別標(biāo)注為1-8#區(qū)域，進(jìn)行金相檢測和分析（見圖2）。

圖2  焊縫剖面形貌(實(shí)物)

（2）化學(xué)成分分析

在生產(chǎn)加工記錄表中，追溯到該批45#半軸套管及510L板材的質(zhì)量保證書，查閱到原材料批次號(hào)、材料牌號(hào)、圓鋼直徑。從庫存中剩余的原材料上截取樣塊，以供化學(xué)成分檢測。截取原材料樣塊尺寸為長25mm×寬25mm×厚15mm，進(jìn)行化學(xué)成分檢測，檢測設(shè)備為Labspark5000精密直讀火花光譜儀，分析結(jié)果見表1、表2。檢查結(jié)果表明，原材料化學(xué)成分符合《GB/T3077—1999合金結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 45鋼化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表2  510L鋼化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

（3）金相檢驗(yàn)

1#區(qū)域?yàn)榱鸭y開口處緊靠焊縫熔合區(qū)一側(cè)的部位，組織為珠光體及粗大斷續(xù)網(wǎng)狀分布的鐵素體。圖示上部有一顆黑色顆粒的晶間熔洞組織，這是非金屬夾雜物熔融的孔洞。由于該處處于近焊縫區(qū)，產(chǎn)生的溫度已經(jīng)達(dá)到和超過非金屬夾雜物熔化的溫度（見圖3）。

圖3  裂紋開口部位（40×）

2#區(qū)域?yàn)榱鸭y開口處套管基體一側(cè)的熱影響區(qū)，由于受到焊縫的熱影響及焊縫處低碳的內(nèi)吸附，焊縫處的的碳濃度勢(shì)必要趨于均勻，該熱影響區(qū)碳勢(shì)將會(huì)產(chǎn)生下坡擴(kuò)散，碳原子向焊縫處擴(kuò)散和遷移，造成該區(qū)基體碳濃度降低，珠光體量銳減以及鐵素體量顯著增加。圖示高密度的網(wǎng)狀鐵素體已經(jīng)被擠成細(xì)密的長條狀，呈現(xiàn)嚴(yán)重的纖維組織。由拉長的網(wǎng)狀組織可知，晶粒極為粗大，該部位屬于摩擦焊縫的嚴(yán)重受熱影響區(qū)（見圖4）。

圖4  裂紋開口部位（40×）

3#區(qū)域?yàn)榘胼S套管一側(cè)的受熱影響區(qū)，組織為珠光體及鐵素體，晶粒較為細(xì)小。該部位的組織相當(dāng)于*正火處理后的組織，晶粒呈細(xì)小等軸狀均勻分布（見圖5）。4#區(qū)域?yàn)橹楣怏w及網(wǎng)狀鐵素體，該處屬于未受熱影響的45#鋼母材。金相檢測判定，該組織是調(diào)質(zhì)處理未*的組織形態(tài)，與正常調(diào)質(zhì)處理后的回火索氏體組織相比，強(qiáng)度顯著降低，應(yīng)該屬于調(diào)質(zhì)處理不合格組織（見圖6）。

圖5 焊接熱影響區(qū)（400×）

圖6 套管一側(cè)母材（400×）

5#區(qū)域?yàn)槟Σ梁附拥暮缚p部位，左側(cè)為510L板材的熔合區(qū)，組織為粗大的貝氏體及針狀魏氏體，屬于典型的低碳合金鋼焊縫組織；右側(cè)為45#鋼套管的熔合區(qū)，組織為珠光體及網(wǎng)狀鐵素體，網(wǎng)狀組織極為粗大，組織中同時(shí)存在針狀鐵素體的過熱魏氏組織（見圖7）。6#區(qū)域?yàn)?10L板材一側(cè)的焊縫熔合區(qū)，組織為粗大的貝氏體及魏氏體。由于焊縫熔合區(qū)溫度*，且冷卻速度較快，同時(shí)由于該材料具有較高的淬透性，因此在焊接后空冷過程中，材料組織已經(jīng)由過冷奧氏體向貝氏體轉(zhuǎn)變（見圖8）。

圖7 焊縫熔合區(qū)（400×）

圖8 板材近焊縫處（400×）

7#區(qū)域?yàn)?10L板材一側(cè)距焊縫稍遠(yuǎn)的受熱影響區(qū)，組織為等軸狀分布的鐵素體及少量珠光體，晶粒較為細(xì)小，該組織相當(dāng)于正火細(xì)化處理（見圖9）。8#區(qū)域?yàn)槲词軣嵊绊懙?10L板材原材料組織，組織顯示為略帶變形的鐵素體晶粒及少量長條狀珠光體，這種組織屬于熱加工板材的特征組織（見圖9）。

圖9  焊接熱影響區(qū)（400×）

圖10  板材原始組織（400×）

2.分析與討論

摩擦焊接是采用高速旋轉(zhuǎn)的方式形成瞬間高溫，使焊接部位兩側(cè)的工件表面熔化，在較高的壓力作用下產(chǎn)生焊接熔合。由于摩擦產(chǎn)生的熱量均勻，正常工況下焊接良好，因此焊縫具有較高的抗拉強(qiáng)度和沖擊韌度。經(jīng)過摩擦焊接的焊縫，能夠承受較高的拉向力和扭矩力。

該試樣的摩擦焊縫結(jié)合良好，未見任何孔洞、疏松和脫焊等缺陷組織，但是在距焊縫較近的套管一側(cè)卻發(fā)生了開裂現(xiàn)象。由裂紋開口的組織得知，開裂處有嚴(yán)重變形的纖維狀組織。這種組織的形成，是由于摩擦焊接后沒有及時(shí)卸載，在焊縫附近溫度降低到再結(jié)晶溫度以下，仍然對(duì)焊接部位施加壓力，終使變形的組織無法重新回復(fù)再結(jié)晶，這種嚴(yán)重的纖維狀組織在后序冷卻過程中產(chǎn)生的應(yīng)力非常大。隨著焊縫溫度的逐漸降低，在熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生拘束應(yīng)力，焊縫熔合區(qū)附近將會(huì)形成較強(qiáng)的拉向應(yīng)力。同時(shí)半軸套管的調(diào)質(zhì)處理不合格，未能形成強(qiáng)度及韌度較高的回火索氏體組織。而且經(jīng)過高溫的影響，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮闹楣怏w及網(wǎng)狀鐵素體，材料性能顯著降低。同時(shí)由于熔合區(qū)碳勢(shì)的下坡擴(kuò)散，該處增加強(qiáng)度的碳原子大部分已經(jīng)向焊縫處擴(kuò)散和遷移，材料組織的強(qiáng)度及韌性進(jìn)一步降低。此時(shí)套管一側(cè)近焊縫熔合區(qū)材料的抗拉強(qiáng)度，已經(jīng)低于焊接拘束應(yīng)力與變形組織應(yīng)力所疊加的拉向應(yīng)力，套管開裂也就在所難免了。

3.結(jié)論及建議

為了避免套管在摩擦焊接時(shí)產(chǎn)生類似的開裂現(xiàn)象，首先應(yīng)該保證半軸套管的調(diào)質(zhì)組織和強(qiáng)度。調(diào)質(zhì)處理時(shí)應(yīng)采用更為強(qiáng)烈的淬火介質(zhì)，增加工件的表面淬透性，提高工件自身的強(qiáng)度和韌性。摩擦焊接過程中應(yīng)調(diào)整焊接工藝，在保證焊縫質(zhì)量的同時(shí)，應(yīng)避免在再結(jié)晶溫度以下產(chǎn)生組織變形。必要時(shí)在焊后較短的時(shí)間內(nèi)，對(duì)焊接的工件進(jìn)行去應(yīng)力回火，消除因焊接產(chǎn)生的拘束應(yīng)力和熱應(yīng)力，防止焊接件在放置和使用過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中開裂。

半軸套管摩擦焊接開裂有哪些原因？