至德鋼業(yè)不銹鋼無縫管油缸缸筒焊接質(zhì)量的試驗(yàn)分析

 浙江至德鋼業(yè)有限公司結(jié)合不銹鋼無縫管油缸缸筒斷裂的實(shí)例，從外觀、材料化學(xué)成分、微觀實(shí)驗(yàn)、宏觀斷口等方面進(jìn)行了分析，闡述了不銹鋼無縫管油缸缸筒斷裂的原因及與其他零部件焊接時(shí)如何進(jìn)行焊接質(zhì)量的控制。缸筒是液壓缸上的主要部件，此油缸技術(shù)參數(shù)為：缸徑Φ150ｍｍ，桿徑Φ110ｍｍ，行程1950ｍｍ，壓力16MPa，缸筒材料采用304不銹鋼無縫管，無縫管采購回來后不進(jìn)行任何熱處理及表面處理。缸筒加工工藝為：定尺下料（鋸床）→車工藝夾頭→粗鏜→精鏜滾壓內(nèi)孔。此油缸作為螺旋鉆機(jī)起架油缸，在裝配完畢進(jìn)行試車時(shí)發(fā)生缸筒斷裂事故，而其他相關(guān)件并無損壞。經(jīng)分析原因?yàn)楦淄脖砻娲嬖诤附淤|(zhì)量很差的焊縫，造成缺陷處應(yīng)力集中和局部區(qū)域應(yīng)力疊加，加之缸筒本身性能指標(biāo)較低，這些因素共同作用的結(jié)果。至德鋼業(yè)針對(duì)缸體斷裂的案例，闡述了該類無縫鋼管的焊接特點(diǎn)和采取的工藝措施，對(duì)304不銹鋼無縫管的焊接質(zhì)量控制進(jìn)行分析總結(jié)。

一、試驗(yàn)分析

 1. 宏觀斷口分析

  油缸缸筒斷裂發(fā)生在下端一側(cè)大約400ｍｍ左右位置，缸筒外徑約Φ180ｍｍ，壁厚約14ｍｍ，表面有一條長(zhǎng)約70ｍｍ焊縫。斷口宏觀分析表明：斷裂起源于缸筒外表面焊點(diǎn)處，為一次性快速脆性撕裂。分別截取不同部位斷口旁試樣，做進(jìn)一步試驗(yàn)分析。

 2. 材料化學(xué)成分檢測(cè)試驗(yàn)

  檢驗(yàn)結(jié)果表明：基體材料各元素均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，合格。

 3. 顯微組織分析

   a. 缸筒中非金屬夾雜物試驗(yàn)

   b. 缸筒裂源區(qū)由表面至心部組織、晶粒度試驗(yàn)

   顯微組織分析表明：缸筒基體組織為珠光體＋塊狀、針狀鐵素體、魏氏組織3級(jí)，晶粒度為6.0級(jí)和3.0級(jí)，屬過熱組織；表面焊點(diǎn)焊縫組織非常粗大，尤其是熱影響區(qū)出現(xiàn)針束狀、板條狀馬氏體，晶粒較粗，見圖所示。說明缸筒基體組織是明顯過熱的缺陷組織，表面焊點(diǎn)焊縫熱影響區(qū)組織也為不允許組織。

  c. 斷口旁顯微組織分析

   斷口旁顯微組織分析表明：有兩條裂紋，一條較細(xì)，一條稍粗，裂紋斷續(xù)、曲折、鋸齒狀分布，裂紋旁組織無明顯變化，也無氧化、脫碳現(xiàn)象。說明裂紋是后面形成的，屬明顯的應(yīng)力裂紋。

  4. 掃描電鏡斷口分析

   裂源區(qū)斷口掃描電鏡分析表明：開裂起源于缸筒表面的焊點(diǎn)，焊縫與熱影響區(qū)形成明顯的圓弧形區(qū)域，表面起裂區(qū)大部分為光滑缺陷區(qū)和柱狀波紋花樣，同時(shí)兩側(cè)焊縫與基體交接表面處均有裂紋、夾渣等缺陷存在，表面各處的下面均是大片的沿晶斷花樣，應(yīng)該是對(duì)應(yīng)的焊縫熱影響區(qū)，此沿晶斷花樣區(qū)分布在整個(gè)圓弧形區(qū)域。圓弧形區(qū)域與基體斷口有明顯分界，基體斷口呈典型的人字紋花樣，指向圓弧形區(qū)域裂源區(qū)，基體斷口呈粗大的解理花樣＋二次裂紋，內(nèi)表面終斷區(qū)有很薄的剪切唇，說明表面焊縫存在裂紋、夾渣等嚴(yán)重缺陷，同時(shí)造成熱影響區(qū)呈完全脆性，斷裂屬起源于表面焊縫的快速脆性撕裂。

   對(duì)斷口掃描電鏡分析表明：斷裂起源于缸筒內(nèi)表面，裂源區(qū)有數(shù)個(gè)小的豎棱存在，表明有應(yīng)力集中存在，整個(gè)斷口均為粗大的解理花樣＋二次裂紋，終斷區(qū)外表面有明顯的凹陷，應(yīng)為斷裂落地后磕碰的，說明此處開裂是由內(nèi)表面向外的快速撕裂。

 二、討論與分析

  1. 缸筒材料質(zhì)量分析

  缸筒采用304不銹鋼無縫管，基體化學(xué)成分試驗(yàn)分析結(jié)果表明成分符合材質(zhì)要求。基體顯微組織分析表明，鋼中純凈度較好，在合格范圍內(nèi)。缸筒基體組織為珠光體＋塊狀、針狀鐵素體、魏氏組織3級(jí)，晶粒度為6.0和3.0級(jí)，屬過熱組織，說明缸筒基體組織是明顯過熱的缺陷組織，這往往是鍛造或軋制加熱溫度過高，終鍛溫度也過高而形成的。一般來說，具有魏氏組織的鍛件，不僅拉伸性能有所降低，其沖擊性能降低得尤為劇烈，使鋼材變脆。

  缸筒表面有一條長(zhǎng)約70ｍｍ的縱向焊縫，主要是用來連接和固定并排安放的兩個(gè)缸筒，組織分析表明表面焊縫組織非常粗大，尤其是熱影響區(qū)出現(xiàn)針束狀、板條狀馬氏體，晶粒很粗大，屬于超硬的不允許組織，同時(shí)可知焊縫中存在裂紋、夾雜等嚴(yán)重缺陷。說明表面焊縫的焊接存在的明顯操作不當(dāng)，本身缸筒材料可焊性較差，若焊接時(shí)工藝、操作不當(dāng)，增加了焊接缺陷的產(chǎn)生，將直接影響到油缸的使用。

  2. 缸筒橫向斷裂原因分析

  油缸缸筒在表面焊縫連接處斷裂，宏觀、微觀試驗(yàn)分析結(jié)果表明，開裂起源于缸筒表面的焊縫與熱影響區(qū)形成明顯的圓弧形區(qū)域，表面焊縫存在裂紋、夾渣等嚴(yán)重缺陷，同時(shí)造成熱影響區(qū)呈完全脆性，可以確定斷裂屬起源于表面焊縫的快速脆性撕裂。油缸即液壓缸是輸出力和活塞有效面積及其兩邊的壓差成正比的直線運(yùn)動(dòng)式執(zhí)行元件，其職能是將液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。本液壓缸缸筒采用304不銹鋼無縫管，此種材料也是缸筒的常用材料，但此材料可焊性較差，如果要焊接作業(yè)，需要采取適當(dāng)措施予以保護(hù)和控制，試驗(yàn)分析結(jié)果可以確定缸筒表面連接焊縫存在明顯操作不當(dāng)，造成熱影響區(qū)形成硬化組織，且焊縫中存在裂紋、夾渣等嚴(yán)重缺陷，同時(shí)局部快速加熱與冷卻，導(dǎo)致產(chǎn)生陡降的溫度場(chǎng)，由此產(chǎn)生熱應(yīng)力，而金屬冷卻收縮受到限制可引起較大的拘束力，這樣，局部區(qū)域的金屬處于三維拉伸狀態(tài)，甚至可能造成缸筒局部彎曲，當(dāng)油缸工作時(shí)，由于較大的推力、重力作用，可造成缸筒表面焊縫缺陷處應(yīng)力集中和局部區(qū)域應(yīng)力疊加，加之缸筒本身性能指標(biāo)較低，一旦超過材料強(qiáng)度極限，將容易產(chǎn)生起源于焊縫缺陷區(qū)的沿管壁擴(kuò)展的快速脆性撕裂。

三、結(jié)論

  304不銹鋼無縫管生產(chǎn)油缸缸筒斷裂是因?yàn)楸砻娲嬖诤附淤|(zhì)量很差的焊縫，造成缺陷處應(yīng)力集中和局部區(qū)域應(yīng)力疊加，加之缸筒本身性能指標(biāo)較低，共同作用的結(jié)果。焊接質(zhì)量控制是承壓設(shè)備產(chǎn)品總體質(zhì)量控制的核心?？刂坪缚p質(zhì)量應(yīng)從焊接材料、焊接設(shè)備、焊接工藝、焊接操作、焊后熱處理、焊縫檢驗(yàn)等方面入手，制定出正確可行的焊接方案，從而能保證可行、可靠的焊縫，確保產(chǎn)品的整體質(zhì)量。