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半軸套管摩擦焊接開裂有哪些原因?

來源:深圳市泰立儀器儀表有限公司   2018年08月14日 09:06  

半軸套管摩擦焊接開裂有哪些原因?

1.理化檢驗

(1)宏觀分析

汽車后橋在安裝時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(實物) 

裂紋深度已經(jīng)貫穿半軸套管的整個壁厚,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、材料牌號、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))(%)

45

C

Si

Mn

Cr

S

P

實測值

0.468

0.205

0.633

0.028

0.011

0.009

GB/T3077

0.420.50

0.170.37

0.500.80

0.250

0.035

0.035

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

510L

C

Si

Mn

S

P

標(biāo)準(zhǔn)值

0.164

0.482

1.366

0.012

0.011

GB/T3077

0.120.20

0.200.55

1.201.60

0.030

0.030

(3)金相檢驗

1#區(qū)域為裂紋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)域為裂紋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必要趨于均勻,該熱影響區(qū)碳勢將會產(chǎn)生下坡擴散,碳原子向焊縫處擴散和遷移,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)域為半軸套管一側(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)域為珠光體及網(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)域為摩擦焊接的焊縫部位,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,組織中同時存在針狀鐵素體的過熱魏氏組織(見圖7)。6#區(qū)域為510L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)域為510L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)域為未受熱影響的510L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卸載,在焊縫附近溫度降低到再結(jié)晶溫度以下,仍然對焊接部位施加壓力,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)附近將會形成較強的拉向應(yīng)力。同時半軸套管的調(diào)質(zhì)處理不合格,未能形成強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。同時由于熔合區(qū)碳勢的下坡擴散,該處增加強度的碳原子大部分已經(jīng)向焊縫處擴散和遷移,材料組織的強度及韌性進(jìn)一步降低。此時套管一側(cè)近焊縫熔合區(qū)材料的抗拉強度,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)組織和強度。調(diào)質(zhì)處理時應(yīng)采用更為強烈的淬火介質(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,應(yīng)避免在再結(jié)晶溫度以下產(chǎn)生組織變形。必要時在焊后較短的時間內(nèi),對焊接的工件進(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?

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