復(fù)合環(huán)形氣瓶爆裂原因分析

燕 翔，劉禮軍，姜 濤

(1．湖北三江航天紅陽機(jī)電有限公司，湖北孝感432100;2．中國航發(fā)失效分析中心，北京100095)

0 引言

氣瓶是化工、機(jī)械、航天、航空、造船、海洋開發(fā)等領(lǐng)域普遍采用的一種重要的儲氣壓力容器，復(fù)合材料氣瓶是其中的一種形式，相比單純金屬氣瓶，復(fù)合氣瓶具有質(zhì)量輕、承載能力大、負(fù)載工作壽命長、安全性高等突出優(yōu)點，逐漸成為氣瓶發(fā)展的一種趨勢［1］，復(fù)合氣瓶主要分為金屬內(nèi)襯復(fù)合材料氣瓶和全復(fù)合材料氣瓶。航天用動力源氣瓶采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，外層芳綸纖維增強的樹脂基復(fù)合材料纏繞成形，金屬內(nèi)襯采用TC4鈦合金超塑成形后再經(jīng)激光焊接，氣瓶結(jié)構(gòu)緊湊，密封性好，承壓高，爆破壓力可達(dá)到80 MPa，然而在爆破試驗中未能達(dá)到60 MPa設(shè)計指標(biāo)而發(fā)生爆裂失效，本研究運用多種手段對失效氣瓶裂紋及斷口進(jìn)行綜合分析，確定失效性質(zhì)，查找失效原因，為推動激光焊接技術(shù)工程化運用提供參考價值。

1 試驗過程與結(jié)果

1．1 宏觀觀察

外觀觀察，爆裂氣瓶有一處環(huán)向破口，破口處復(fù)材包裹層撕裂外翻，其他部位包裹層完好，氣瓶整體無明顯變形。扒除復(fù)材包裹層后發(fā)現(xiàn)內(nèi)襯上有一條連貫裂紋，裂紋按特征分為周向和環(huán)向，周向擴(kuò)展大半個圓周后一端接近環(huán)向裂紋而終止，另一端沿氣瓶橫向繼續(xù)擴(kuò)展一圈后形成環(huán)向裂紋，氣瓶在此形成橫向斷裂(圖1)。

周向裂紋擴(kuò)展途經(jīng)內(nèi)、外焊縫各1處，裂紋整體平直，在2處焊縫處發(fā)生明顯偏折。裂紋沿內(nèi)焊縫曲折擴(kuò)展長約70 mm，沿外焊縫擴(kuò)展長度約12 mm(圖2)。周、環(huán)向裂紋擴(kuò)展途徑的焊縫表面未見明顯機(jī)械損傷與焊接缺陷，周向裂紋除途徑的焊縫區(qū)外均呈快速擴(kuò)展斜斷口特征，環(huán)向裂紋包括焊縫均呈快速擴(kuò)展的斜斷口特征，在環(huán)向裂紋與周向裂紋交匯的尖角處斷面呈剪切斷口，該區(qū)為終斷區(qū)(圖3)?？傮w來看，環(huán)向裂紋由周向裂紋轉(zhuǎn)向擴(kuò)展形成，裂紋交匯段呈V形斜斷口，其他區(qū)域為單向斜斷口。

圖1 氣瓶及內(nèi)襯整體外觀Fig．1 Appearance ofcylinder and lining

圖2 周向裂紋途徑焊縫外表面形貌Fig．2 Circumferential crack passing through weld surface

環(huán)向斷口均呈塑性纖維狀特征，終斷區(qū)可見剪切擠壓損傷，V形斷面可見裂紋快速擴(kuò)展形成的人字紋［2］，裂紋源頭指向周向裂紋區(qū)(圖4)。

周向內(nèi)、外焊縫區(qū)裂紋打開后觀察發(fā)現(xiàn)，外焊縫裂紋沿內(nèi)側(cè)焊趾部位擴(kuò)展，而后延伸到焊縫內(nèi)部，斷口呈快速擴(kuò)展的斜斷面，焊縫未見異常損傷和焊接缺陷(圖5)。

周向內(nèi)焊縫裂紋也沿內(nèi)側(cè)焊趾部位擴(kuò)展，而后延伸到焊縫中部，在外側(cè)看裂紋中段為焊縫收弧段。觀察焊縫收弧段斷口有三角形平坦區(qū)，兩側(cè)均為斜斷面，靠內(nèi)側(cè)焊趾部位的平坦區(qū)邊緣可見多個金黃色更為平坦的小平面，中間的一個平面面積最大，深度約1．4 mm，其輪廓不規(guī)則(圖6)。裂紋起始于焊縫內(nèi)焊縫焊趾根部。

圖3 環(huán)向裂紋外觀及斷口形貌Fig．3 Appearance and fracture morphology of the ring crack

圖4 環(huán)向裂紋斷口主要特征區(qū)宏觀形貌Fig．4 Macroscopic morphology of the main feature area of the ring crack fracture

圖5 周向裂紋外焊縫及斷口形貌Fig．5 Outside weld and fracture morphology of circumferential crack

圖6 周向裂紋內(nèi)焊縫裂紋及斷口形貌Fig．6 Inside weld crack and fracture appearance of the circumferential crack

1．2 斷口微觀觀察

在電鏡下觀察四處焊縫裂紋斷口微觀特征。環(huán)向內(nèi)、外焊縫斷面微觀均為撕裂韌窩特征，為快速過載斷裂區(qū)［3］，周向裂紋外焊縫斜斷面也均為典型撕裂韌窩。

周向內(nèi)焊縫金黃色小平面為沿針狀馬氏體基體開裂的準(zhǔn)解理特征［4］，未見損傷與焊接缺陷。小平面外周均為韌窩特征，邊界過渡區(qū)可見很小的疲勞擴(kuò)展區(qū)，有明顯的疲勞條帶特征，斷口其他區(qū)域均為韌窩特征(圖7)。平坦區(qū)邊緣其他小平面特征與此基本一致。

觀察焊縫橫向、焊趾根部縱向人工斷口，宏觀斷面均呈銀灰色，纖維狀特征，微觀下2個斷面均呈韌窩特征，未見準(zhǔn)解理特征(圖8)。

1．3 微區(qū)成分測定

運用X射線能譜儀測定準(zhǔn)解理斷面和韌窩斷面化學(xué)成分，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，特征區(qū)元素組成相同，包括基體 Al、Ti、V元素，以及 O元素;準(zhǔn)解理斷面O元素含量明顯高于正常區(qū)域，準(zhǔn)解理斷面O含量約11%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，而正常區(qū)域僅為3%。

1．4 金相組織檢查

裂紋平坦區(qū)、斜斷面區(qū)橫剖面低倍形貌基本一致，在焊縫區(qū)晶粒粗大并向熱影響區(qū)晶粒逐漸減小，平坦區(qū)剖面可見收弧形成的二次焊接區(qū)［5］(圖9)。進(jìn)一步觀察焊縫區(qū)呈針狀馬氏體組織，基體為等軸組織，外焊縫橫剖面組織與內(nèi)焊縫基本一致(圖10)。內(nèi)襯基體呈細(xì)小等軸α+β組織［6］(圖 11)。

2 分析討論

通過觀察發(fā)現(xiàn)，環(huán)向裂紋由環(huán)向裂紋擴(kuò)展形成，環(huán)向裂紋與周向裂紋交匯后整體形成一條連貫裂紋。環(huán)向裂紋途經(jīng)內(nèi)、外兩處焊縫形成橫斷面，所有斷面均為快速擴(kuò)展的斜斷口。周向裂紋擴(kuò)展途經(jīng)內(nèi)、外焊縫各一處，除內(nèi)側(cè)焊縫區(qū)裂紋斷面局部存在平坦區(qū)外，其余均為快速擴(kuò)展的斜斷口，內(nèi)側(cè)焊縫斷面的平坦區(qū)應(yīng)為裂紋源。

圖7 周向裂紋內(nèi)焊縫斷面微觀形貌Fig．7 Micro appearances of circumferential crackfracture at the weld zone

圖8 焊縫人工斷口微觀形貌Fig．8 Artificial fractureof weld

圖9 焊縫裂紋平坦區(qū)橫剖面宏觀形貌Fig．9 Vertical section macrostructure of crackinside weld

圖10 焊縫裂紋平坦區(qū)橫剖面組織Fig．10 Section microstructure of crack inside weld

圖11 母材組織Fig．11 Microstructure of parent material

裂紋源位于內(nèi)焊縫收弧段的焊趾，斷面可見多個更為平坦且呈淡金黃色的小平面，小平面微觀下成脆性的準(zhǔn)解理斷裂特征，焊縫橫向人工斷口、焊趾部位縱向人工斷口均呈韌性斷裂特征，未見脆性的準(zhǔn)解理特征。在準(zhǔn)解理與瞬斷的韌窩特征區(qū)之間可見疲勞條帶特征，表明裂紋后期經(jīng)歷了疲勞擴(kuò)展階段［7］。分析發(fā)現(xiàn)，淡金黃色準(zhǔn)解理特征區(qū)O含量相對較高，特征區(qū)數(shù)量多、面積小，表明焊接過程中氣體保護(hù)不足，未能完全隔絕外界環(huán)境，致使焊縫遭受外界環(huán)境氣體侵害，發(fā)生環(huán)境吸氧、吸氫現(xiàn)象［8］。焊縫吸氫后在焊接應(yīng)力驅(qū)動下，大量氫迅速地從焊縫表面向內(nèi)部遷移、聚集，局部最大遷移深度接近襯壁中心，在隨后的大致冷卻階段，焊接應(yīng)力達(dá)到了開裂危險應(yīng)力，未經(jīng)過“延遲”的孕育期就直接發(fā)生瞬時過載開裂，造成環(huán)境吸氫條件下的氫脆裂紋［9］。從鈦合金溫色變化規(guī)律推測，氫脆裂紋的形成溫度約400℃。鈦合金化學(xué)性質(zhì)較活潑，在常溫下表面可生成較致密的氧化膜，隨著溫度的升高，在250℃開始吸氫，500℃開始吸氧，600℃開始吸氮［10］。從鈦合金的吸氣特性可以看出，在400℃高溫下焊縫吸氫行為較劇烈，氫致斷裂臨界應(yīng)力較小，因此未經(jīng)過孕育就瞬時開裂。鈦合金氫脆與一般鋼件不同，其氫脆機(jī)理是氫化物誘發(fā)的氫脆［11］，屬第一類氫脆，也屬不可逆氫脆，斷口典型微觀特征呈準(zhǔn)解理，與裂紋斷面的微觀特征一致。

零件激光焊接工藝規(guī)定，焊接采用氬氣保護(hù)，在焊接收弧段進(jìn)給速率保持恒定，在起收弧交匯處激光功率開始衰減，直至起收弧段重疊段長度達(dá)到150 mm后降至0，此后進(jìn)給速率再逐漸減小至0，在此過程中氬氣流量(16L/min)應(yīng)始終保持恒定，待進(jìn)給速率降至0后再關(guān)閉氬氣閥門。根據(jù)焊接工藝分析，氬氣保護(hù)不充分應(yīng)與焊接收弧階段氣瓶余氣儲量不足有關(guān)。

3 結(jié)論

1)復(fù)合環(huán)形氣瓶在爆破試驗前已存在裂紋源，裂紋源位于內(nèi)側(cè)焊縫收弧段焊趾部位，在疲勞試驗中裂紋發(fā)生疲勞擴(kuò)展，爆破試驗中因過載發(fā)生爆裂失效。

2)裂紋性質(zhì)為氫脆裂紋，屬焊接收弧階段氣體保護(hù)不充分引起環(huán)境吸氫。