洛陽吉力電焊學(xué)校：B10 管環(huán)焊縫裂紋原因分析
洛陽吉力電焊學(xué)校
1.樣品信息
樣品為Φ108×3 的B10 管對接環(huán)焊縫，其背部沿熔合線存在多處裂紋。樣品母材為BFe10-1-1，焊材為HSCuNi。查供貨材料材質(zhì)書及復(fù)驗(yàn)報告，母材、焊材均未見異常。
對環(huán)焊縫進(jìn)行著色滲透檢測，確認(rèn)裂紋共三處，如圖1 所示。裂紋1 對應(yīng)的正面焊縫已經(jīng)修磨，修磨深度超過壁厚一半，修磨后可見裂紋。裂紋2、裂紋3 對應(yīng)正面未見開裂。
2 試驗(yàn)儀器
主要實(shí)驗(yàn)儀器包括：Leica DMI5000M 金相顯微鏡、FEI Quanta 600 掃描電子顯微鏡、
EDAX XM2 能譜儀等。
3 試驗(yàn)結(jié)果
3.1宏觀分析
焊縫表面因氧化失去金屬光澤，焊縫兩側(cè)未見機(jī)械清理痕跡。環(huán)焊縫外形尺寸測量結(jié)果見表1。對裂紋進(jìn)行測量，裂紋1 長度約30mm，裂紋2 長度約10mm，裂紋3 長度約16mm。選定裂紋3 進(jìn)行取樣分析（見圖2），線切割后制作金相試樣、斷口試樣各一件。斷口試樣在丙酮溶液中超聲波清洗30min，宏觀形貌如圖3（a）所示，斷口中原始裂紋呈現(xiàn)明顯氧化色，判斷為熱裂紋。金相試樣宏觀形貌如圖3（b）所示，可見焊縫寬度過大，背面余高較大，接近母材壁厚。
圖2 取樣示意圖
（a）斷口宏觀形貌
（b）宏觀金相試樣
圖3 試樣形貌
表1 焊縫尺寸
3.2金相分析
對裂紋3 金相試樣進(jìn)行拋光侵蝕后觀察，形貌見圖4。依據(jù)GB/T 6417.1-2005《金屬熔化焊接頭缺欠分類及說明》，裂紋低倍組織檢測結(jié)果見表2。其中裂紋深度1.7mm，從背面焊趾處沿熔合線擴(kuò)展，裂紋附近焊縫有一處孔穴，直徑約0.3mm。
圖4 低倍金相 25X
裂紋尖端處金相組織高倍顯微組織如5 所示，裂紋沿晶界擴(kuò)展，斷裂附近存在較多二次
裂紋。焊縫、熱影響區(qū)、母材組織如圖6 所示，焊縫金相組織為枝晶狀，熱影響區(qū)金相組織為孿晶α，母材金相組織為孿晶α。
圖5 裂紋金相組織 400X
（a）焊縫金相組織 200×
(b) 熱影響區(qū)金相組織 200×
(c) 母材金相組織 100×
圖6 金相組織
3.3 斷口掃描電鏡觀察
斷口掃描觀察，較低倍數(shù)下可觀察到原始裂紋和后期撕裂裂紋特征，見圖7。放大后觀察，原始裂紋斷口呈現(xiàn)晶粒多面體外形的的巖石狀花樣，具有沿晶脆性斷裂的特征。進(jìn)一步放大，斷裂位置呈現(xiàn)球狀、塊狀兩種形態(tài)，選擇相鄰的球狀、塊狀組織進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見圖8、圖9。同時對裂紋附近熱影響區(qū)進(jìn)行能譜對比分析，結(jié)果見圖10。能譜分析顯示裂紋斷口O、C 含量明顯增高，符合焊接熱裂紋特征，而裂紋附近熱影響區(qū)無O、C 元素存在。圖8、圖9 能譜分析位置為微觀相鄰位置，但鎳含量存在明顯差異，其中球狀組織鎳含量約22%，塊狀組織鎳含量約10%。
4 分析與討論
1) 焊縫表面顏色無金屬光澤，裂紋處焊縫呈黑灰色，表明焊接過程氬氣保護(hù)效果不佳。
2) 焊縫附近母材未見機(jī)械清理痕跡，說明焊前坡口附近母材未進(jìn)行清理或清理不徹底。
3) 原始裂紋斷口顏色及斷口掃描碳氧含量偏高，可判斷裂紋為焊接熱裂紋。
4）斷口掃描顯示裂紋為沿晶脆性斷裂,斷裂面的能譜分析顯示O含量偏高,O與Cu高溫反應(yīng)生成Cu2O,Cu2O與Cu形成低熔點(diǎn)共晶體,其熔點(diǎn)為1065℃,而B10的熔化溫度范圍是1100℃~1150℃,B30熔化溫度范圍是1171℃~1237℃,低熔點(diǎn)共晶體結(jié)晶過程形成液態(tài)薄膜,在焊接應(yīng)力下開裂,為典型液化裂紋。焊縫根部余高過高,與母材過渡陡峭,致使焊趾部位應(yīng)力過大會加劇開裂。
5) 斷口相鄰組織鎳元素含量偏差近一倍,表明焊接時該部位元素過渡不連續(xù)。從金相組織也可以看出焊縫與母材根部熔合不佳。銅鎳合金熔點(diǎn)隨鎳含量增加而升高,鎳含量的不連續(xù)導(dǎo)致凝固的不連續(xù),鎳含量較高的組織因熔點(diǎn)高而先形核結(jié)晶,呈球狀,符合斷口特征?，F(xiàn)場反饋焊接時采用了正面施焊,背面加絲的焊接手法,這與正面坡口相違背,不利于焊接根部熔合及金屬合金元素的均勻過渡,易在焊縫背面焊趾處形成裂紋、氣孔等缺陷。
5 結(jié) 論
1、綜合分析,裂紋為焊接熱裂紋。斷口處C、O元素偏高,O與Cu高溫反應(yīng)生成Cu2O與Cu,生成低熔點(diǎn)共晶體,是形成焊接熱裂紋的原因。
2、焊接坡口部位未清理,正面施焊,背面加絲的焊接工藝會影響焊縫背面充氬保護(hù)效果,這些因素會引入C、O雜質(zhì),并在熔合線附近富集。
3、正面施焊,背面加絲的焊接手法不利于焊縫根部熔合,易造成焊縫根部焊趾部位缺陷
4、建議加強(qiáng)焊接過程控制和檢查,如焊前清理、焊接保護(hù),控制焊接熱輸入及層間溫度,采用正面施焊,正面加絲的焊接手法等。
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