40Cr钢法兰焊接接头断裂原因分析

40Cr钢法兰焊接接头断裂原因分析彭西洋;王春芬;李雪峰【摘要】Thereasonsoffractureof40Crweldingflangewereanalyzedonthebasisofmacroobservation,metallurgical,chemicalcompositionanalysis,etc.Theresultsshowedthatthe40Crweldingflangeexistedthedefectsofrootcrack,toecrack,lackoffusion,andincompletepenetration,etc.Therootcrackwillexpendundertheexertingofthestress,leadingtofractureduringapplication.Therootcrackcausedbyimproperweldingoperationwasthemaincauseforfractureatearlystage.Thepaperalsoproposedtheimprovementsuggestionforweldingprocess.%通过宏观观察、金相分析和化学成分分析等方法，对40Cr钢法兰焊接接头的断裂原因进行了分析.结果表明,40Cr钢法兰焊接接头存在根部裂纹、焊趾裂纹、未熔合和未焊透等焊接缺陷，在应力的作用下，根部裂纹发生扩展，造成接头在使用过程中发生断裂.焊接工艺及操作不当导致法兰焊接接头产生根部裂纹，是其发生早期断裂的主要原因,并对焊接工艺提出了改进建议.【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷)，期】2012(000)006【总页数】3页(P77-79)【关键词】40Cr钢;焊接;根部裂纹;焊趾裂纹【作者】彭西洋;王春芬;李雪峰【作者单位】中国汽车工业工程公司工艺工程院沃津301600;中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南洛阳471023;中国船舶重工集团公司第七二五研究所,河南洛阳471023【正文语种】中文【中图分类】TG406图1法兰断口形貌某工程机械传输系统的连接部件由法兰和连接件焊接而成。法兰的材料牌号为40Cr钢，内径为100mm，与其焊接相连的连接件材料牌号为40钢，焊丝为ER50-6，采用全自动气体保护焊进行焊接，保护气体为2%CO2和98%Ar的混合气体，焊前未进行预热，焊后2h回火处理。该产品投入使用后不久，整机行程大约1000km时，在法兰与连接件的焊接区域发生断裂。人目艮观察，断口区域平整，未发现明显的塑性变形和碰撞痕迹，断口区域锈蚀严重，并沾有油污，如图1所示。1试验方法分别在法兰、连接件及焊缝区取化学试样，用红外C-S分析仪、ICP原子发射光谱等进行化学分析。在断口区域取金相试样，用金相显微镜进行显微组织分析。2试验结果及分析2.1材质成分对法兰、连接件和焊缝区取样，测量其化学成分，结果见表1。法兰化学成分符合GB/T3077-1999中对40Cr钢的成分规定。连接件的化学成分符合GB/T699-1999中对40钢成分的规定。焊缝区的化学成分相当于GB/T8110-2008中ER50-6焊丝成分。表1法兰、连接件和焊缝区域的化学成分（质量分数）（%）试样CSPSiMnCr法兰测0.420.0130.0160.180.640.97GB/T30770.37-0.44<0.035<0.0350.17-0.370.50~0.800.8~1.10连接件0.410.0070.0120.230.620.048GB/T6990.37~0.44<0.035<0.0350.17~0.370.50~0.80<0.25焊缝区0.0810.0160.0130.8581.45GB/T81100.06~0.150.0750.0250.80~1.151.40~1.852.2宏观分析法兰与连接件焊缝横断面的宏观形貌如图2所示。从图中可以看出，焊缝区为一道焊接成型，焊缝根部存在未熔合和未焊透缺陷，断裂面分别穿过焊缝根部的熔合线、法兰的热影响区和焊缝区3个区域。在焊接接头法兰一侧的焊趾处有一条长2.0mm的裂纹。图2焊缝横断面宏观形貌（2x）2.3金相分析2.3.1抛光态法兰试样抛光后观察发现，断面上有氧化物覆盖，在断裂面附近有多条次生裂纹，裂纹呈折线型扩展，内部充满了氧化物，氧化物较致密，形貌如图3、图4所示。法兰一侧焊趾处的焊趾裂纹形貌如图5所示，裂纹内也有灰色氧化物。2.3.2浸蚀态试样经4%硝酸酒精浸蚀后，观察其金相组织。断面法兰一侧热影响区的金相组织为回火贝氏体+回火马氏体+少量铁素体，断口处未发现脱碳现象，如图6所示。法兰焊趾处的裂纹在热影响区距熔合线0.2mm处，如图7所示。法兰金相组织为回火索氏体+少量铁素体，如图8所示。连接件金相组织为珠光体+铁素体+魏氏铁素体，如图9所示。焊缝区组织为铁素体+细的珠光体，由于焊接后进行过回火处理，所以焊缝区组织不具有典型的焊态组织特征，如图10所示。3分析与讨论法兰和连接件采用全自动气体保护焊进行焊接，保护气体为CO2和Ar的混合气体，焊丝为ER50-6，焊前未进行预热处理，焊后进行了回火处理。从焊缝的宏观组织观察可以看出，焊缝是一道焊接成型，坡口类型为V型，焊缝根部有未熔合和未焊透缺陷，断裂面分别穿过焊缝根部的未熔合区、法兰的热影响区和焊缝3个区域。在法兰一侧还发现有焊趾裂纹。焊接接头的低倍缺陷较多。连接件的金相组织为珠光体和铁素体，而法兰的金相组织为回火索氏体，由此可见，40Cr钢法兰是在调质状态下进行焊接的。法兰盘断裂面经清洗后，表面依然覆盖有厚而致密的氧化物层，无法用扫描电镜对断口进行观察。断口附近存在多条二次裂纹，裂纹内也充满了致密的氧化物，这种氧化物不同于常温下在潮湿空气中产生的铁锈，通常达到一定温度时才能产生，钢在常温下是很难发生氧化的［1］。40Cr钢属于中碳合金调质钢，有较大的焊接冷裂倾向［2-3］。在冷裂纹中氢致裂纹是最常见的一种，这种裂纹除与氢、应力等条件有关外，还与材料及其组织状态有密切的关系。这种钢在不预热的情况下焊接，粗晶区中几乎不可避免地会出现孪晶马氏体。孪晶马氏体的存在减少了滑移系统，使晶内难于产生塑性变形，受载时应变易于向晶界集中。此外，钢中较高的C含量促进了S、P等杂质元素向原奥氏体晶界偏析，杂质元素在晶界的偏聚会使晶界发生弱化；另一方面，由于氢在晶内孪晶马氏体中扩散速度较慢，从而易于沿着晶界进行短路扩散，最终使氢在晶界发生聚集，进一步降低裂纹在晶界形核的应力，导致裂纹在低应力下沿晶界萌生，并在应力的作用下进一步发生扩展，从而产生低应力下沿晶界脆断［4］。根部裂纹和焊趾裂纹是常见的2种焊接冷裂纹。根部裂纹起裂于焊缝根部粗晶区的应力集中处，随后在焊缝金属凝固收缩时造成的拘束应力的作用下，裂纹逐渐向焊缝扩展。焊趾裂纹发生在母材的焊趾处，因为焊趾不仅位于焊接接头的粗晶区，而且也是应力集中的区域，所以可能沿粗晶区扩展，也可能垂直于拘束应力方向向细晶区并逐步向母材扩展。中碳钢焊接时通常要进行焊前预热和焊后热处理［5-7］。虽然有文献指出，在采用大坡口，细焊丝、小电流、快速度、多层锯齿摆动焊时，可以取消热处理工序，即利用短段多层焊使前层焊道未冷到较低温度（Ms）就开始焊接下一层焊缝。但是该文献同时也强调，要取消焊前预热及焊后热处理，必须要严格控制焊接工艺参数，并且为保证焊接的稳定性，一般要采用焊接机器人进行焊接［8］。由此可以看出，并不是在所有情况下都可以取消焊接的热处理工序。而对被检焊接件，因为既未进行热处理，又采用V型坡口和大电流一次成型工艺，严重违反了40Cr钢的焊接特性，所以产生了根部裂纹、焊趾裂纹、未熔合和未焊透等焊接缺陷。ER50-6焊丝的适用范围较广，对母材金属的清洁程度要求不高，是常用的焊接材料，也是40Cr钢焊接时经常选用的焊材之一。保护气体采用CO2和Ar的混合气体，具有焊缝金属韧性好和工艺效果好的优点，所以也在焊接时普遍使用。因此，焊丝和保护气体不是焊接缺陷产生的主要原因。综上所述，40Cr钢调质状态下的焊接性较差，需要制订严格的焊接工艺，并要严格执行。正是由于该40Cr钢法兰的焊接未按其焊接性制订并执行严格的工艺，导致产生焊接冷裂纹、未熔合和未焊透等焊接缺陷，并且根部裂纹在组织应力和使用应力的作用下发生扩展，最终发生断裂。4结语1）焊接工艺不当，致使焊缝根部产生根部裂纹，并在使用中发生扩展，是40Cr钢法兰焊接接头断裂的主要原因。2）未熔合和未焊透缺陷及焊趾裂纹在一定程度上降低了焊接接头的使用性能。3）焊接工艺及操作不当是产生焊接缺陷的主要原因。5建议1）制订合适的焊前预热和焊后热处理工艺并要求严格执行。2）将坡口改为U型，以减少未熔合和未焊透等焊接缺陷。3）采用短段多层焊来保证焊接时的层间温度，减少焊接的冷裂倾向。4）采用热量集中的焊接方法和小的焊接线能量，并注意避免焊件表面的焊接缺陷和划伤。5）在焊接工艺上注意填满弧坑。焊后应及时进行调质热处理，有困难，可进行中间退火或在高于预热的温度下保温一段时间，以排除扩散氢并软化组织。6）或选择更换焊接材料时，应保证熔敷金属的成分与母材基本相近。参考文献［1］王忠诚.热处理常见缺陷分析与对策［M］北京：化学工业出版社，2008.［2］刘群奇，李平.40Cr电动机传动轴轴颈的焊补及焊后加工工艺［J］.煤矿机械，2010（31）7：97-99.［3］孙燕.ZG270-500与40Cr的焊接［J］.焊接技术，2009,38（6）:58-59.［4］田燕.焊接区断口金相分