王 森1,2,孙明正1,2
(1.上海材料研究所,上海 200437;2.上海市工程材料应用与评价重点实验室,上海 200437)
摘 要:某电梯主驱动轴在焊接后进行磁粉检测时发现有裂纹。采用微观分析、金相检验、力学 性能试验、化学成分分析等方法对电梯主驱动轴的开裂原因进行了分析。结果表明:裂纹位于电梯 主驱动轴焊接热影响区熔合线附近,属于低熔共晶产物存在引起的近焊缝区液化裂纹,该液化裂纹 是由于焊接工艺不当而产生的。
关键词:主驱动轴;磁粉检测;沿晶开裂;液化裂纹;焊接工艺 中图分类号:TG142.33 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2021)04-0051-04
某电梯主驱动轴,材料为 Q345B 钢,生产工艺 为圆钢经机加工达到图纸要求的尺寸后与法兰进行 焊接,焊接后采用石棉套保温至常温,然后进行磁粉 探伤,磁粉探伤无裂纹后再次精加工以达到图纸要 求的尺寸,装配完成后进行表面涂油漆。电梯主驱 动轴的宏观形貌如图1所示。在进行电梯主驱动轴 磁粉探伤时发现焊缝处有裂纹存在,采用 CY-1A 型 交流电磁轭对电梯主驱动轴身与法兰焊接区域进行 100%检测,在焊缝区发现长约20mm 的线性缺陷 磁痕,根据缺陷磁痕特征判断该线性缺陷磁痕为裂 纹。截取该部位,从裂纹位置将其一分为二,如图2 所示,分别再进行磁粉检测,发现剖面上存在磁痕显 示,约为1.3mm,表明该处裂纹深度约1.3mm。为 找出该裂纹产生的原因,防止类似缺陷再次发生,笔 者对该开裂电梯主驱动轴进行了一系列检验和分析。
1 1.1 理 微 化 观 检 分 验
析 取裂纹处的剖面制备金相试样,经镶嵌、磨抛后置 于FEIQuanta400型扫描电镜(SEM)下进行观察,其 SEM形貌如图3a)所示,可见裂纹深度约为1.3mm。 放大观察,可见裂纹内存在致密的异物,如图3b) 所示。对裂 纹 内 部 的 异 物 进 行 能 谱 分 析,结 果 如 图3c)所示,可见裂纹内异物氧含量较高。进一步 对裂纹内、外不同部位进行能谱分析,结果如图4所 示,可见异物的氧含量较高从其他位置截取焊缝处的剖面金相试样,经镶 嵌、磨抛后置于扫描电镜内观察,发现内部裂纹内有 致密的异物,SEM 形貌如图5所示。对裂纹内部的 异物进行能谱分析,发现氧含量较高,如图5c)所 示,证明该异物同样也是在高温环境下形成的。 综合SEM 形貌分析与 EDS 能谱分析结果可 知,焊缝处的表面裂纹,以及其他位置观察到的内部 裂纹内均存在致密的氧化物填充。在高温环境下, 氧元素与铁等元素发生反应,产生氧化物。而在低 温环境下开裂,裂纹内一般不会产生氧化现象,裂纹 内不会产生氧化物,也就不会有氧元素的存在,从而 证明该异物是高温环境下的产物。
1.2 金相检验
将如图3a)所示的剖面金相试样,经化学试剂 浸蚀后置于ZEISSObserverZ1型金相显微镜下观 察,其显微组织形貌见图6a),放大观察裂纹处,其 显微组织形貌见图6b),可见裂纹源区近焊缝熔合 线,并向热影响区扩展,热影响区的显微组织为马氏 体+铁素体。 将图5a)所示的剖面金相试样,经化学试剂浸蚀 后置于金相显微镜下观察,显微组织形貌见图6c),放 大观察,可见该内部裂纹位于热影响区,向熔合线扩 展。热影响区显微组织为马氏体+铁素体,见图6d)。 综合金相分析结果可知,裂纹大部分位于热影响区。
1.3 力学性能试验
从轴体上分别取拉伸试样、冲击试样、硬度试样 进行试验,采用ZwickZ250型拉伸试验机进行拉伸 试验,采用新三思 ZBC2302N-2型冲击试验机进行 冲击试验,采用Zwick型万能硬度试验机进行硬度 试验,结 果 见 表 2。 可 见 其 力 学 性 能 满 足 GB/T 1591—2008《低合金高强度结构钢》中对 Q345B 钢 的技术要求。
1.4 化学成分分析
从轴体上取样,采用 ARL4460 型光电直读光 谱仪、CS901B型红外碳硫仪及ICap6300型电感耦 合等离子体发射光谱仪对其进行化学成分分析,结 果见表3。可见其化学成分满足 GB/T1591—2008 中对 Q345B钢的技术要求。
2 分析与讨论
能谱分析结果表明,裂纹是在高温时产生的,属 于热裂纹的范畴,热裂纹又分为结晶裂纹、液化裂纹 和多边裂纹,不同的热裂纹产生的机理不同[1-5]。 结晶裂纹主要产生在含杂质较多的碳钢、低合 金钢焊缝中(硫、磷、碳、硅元素含量偏高)和单相奥 氏体钢、镍基合金以及某些铝合金焊缝中。这种裂 纹发生在焊缝结晶过程中,出现在固相线附近,由于 凝固金属的收缩,残余液体金属不足,不能及时填充 而产生的。结晶裂纹容易在应力作用下发生沿晶开 裂,一般位于焊缝上[6-7]。 近缝区液化裂纹是一种沿奥氏体晶界开裂的微 裂纹,其尺寸很小,发生于热影响区近缝区或层间。 在高温下热影响区近缝区或层间的奥氏体晶界上的 低熔共晶组成物被重新熔化,在拉应力的作用下沿 奥氏体晶间开裂而形成液化裂纹[8-10]。 焊接时焊缝或近缝区在固相线稍下的高温区 间,由于刚凝固的金属中存在很多晶格缺陷(主要是 位错和空位)及严重的物理和化学不均匀性,在一定 的温度和应力作用下,由于这些晶格缺陷的迁移和 聚集,便形成了二次边界,即多边化边界。因边界上 堆积了大量的晶格缺陷,高温时边界的强度和塑性 都很差,只要有轻微的拉伸应力,就会沿多边化的边 界开裂,产生多边化裂纹。这种裂纹并不常见,其防 治措施可以向焊缝中加入提高多边化激化能的元素 如铜、钨、钛等[11-12]。 从理化检验结果可知,电梯主驱动轴母材的化 学成分都是满足相关技术要求的,尤其是杂质元素 (硫、磷元素)含量远远低于标准的要求,不具备产生 结晶裂纹的条件,所以该裂纹不属于结晶裂纹。从 显微组织形貌可以看出裂纹位置位于热影响区熔合 线位置,不在焊缝上,排除该裂纹为多边化裂纹的可 能性。由金相照片可知,该裂纹是沿奥氏体晶界开 裂的微裂纹,其尺寸很小,发生于热影响区近焊缝 区,具有液化裂纹的特征,确定该裂纹属于近缝区液 化裂纹,这类裂纹通常是由于低熔共晶产物的存在, 在热应力的作用下引起的开裂。
3 结论及建议
该电梯主驱动轴焊缝热影响区熔合线附近处存 在的裂纹属于低熔共晶产物存在引起的近缝区液化 裂纹,该裂纹是由于焊接工艺不当而产生的。 建议通过焊前预热、减小接头拘束度、适当降低 焊接电流和焊接电压、提高焊接速度,从而减小焊接 热输入量;以及降低高温停留时间,减少低熔共晶物 在高温下受拉应力的时间,最终有效减少焊接热影 响区裂纹的产生。
来源：材料与测试网