熱水器內(nèi)膽水壓疲勞試驗開裂原因分析

楊 崢，李 進(jìn)，牟祖茂，宋祖峰

(馬鋼股份公司技術(shù)中心 安徽馬鞍山 243000)

熱水器內(nèi)膽是熱水器的主體部件，作為儲水并將水在其內(nèi)進(jìn)行加熱的容器，由于水的反復(fù)進(jìn)出及加熱冷卻，內(nèi)膽將長期處于一個壓力變化的環(huán)境之中工作。因此，生產(chǎn)廠在生產(chǎn)熱水器內(nèi)膽時，將會進(jìn)行水壓疲勞試驗，通過以一定的頻率改變熱水器內(nèi)膽內(nèi)的水壓，來檢測熱水器內(nèi)膽的承壓能力。

某廠生產(chǎn)的熱水器內(nèi)膽，采用三段式埋弧焊接，產(chǎn)品焊縫示意圖見圖1，每個內(nèi)膽上有直焊縫一條，弧形焊縫兩條，在進(jìn)行水壓疲勞試驗時，多次發(fā)生直焊縫開裂漏水事件。本文通過對熱水器內(nèi)膽裂紋的檢測與分析，探討熱水器水壓疲勞試驗開裂的主要原因。

1 取樣及試驗方法

觀察焊縫裂紋區(qū)域，可見焊縫一側(cè)存在長度約100 mm左右的裂紋。在焊縫開口最大處取1#試樣，在臺式鉗上壓斷，用以觀察斷口形貌。在焊縫裂紋區(qū)域以線切割加工的方式切取兩塊金相試樣，用以從截面觀察焊縫裂紋形貌及裂紋附近組織形態(tài)。在遠(yuǎn)離焊縫處切取4#、5#試樣，分別用以進(jìn)行化學(xué)成分分析和拉伸力學(xué)性能檢驗。取樣示意圖見圖2。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)成分

化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，未見異常。

表1 化學(xué)成分(%)

2.2 拉伸力學(xué)性能

拉伸力學(xué)性能試驗結(jié)果見表2，該熱水器內(nèi)膽的力學(xué)性能符合產(chǎn)品要求。

表2 力學(xué)性能

2.3 斷口觀察

用掃描電鏡對1#裂紋壓斷斷口進(jìn)行觀察，斷裂源于熱水器內(nèi)膽外側(cè)面，如圖3(a)所示。斷裂源區(qū)斷口形貌為脆性準(zhǔn)解理，未見夾雜等缺陷，如圖3(b)所示。斷裂擴(kuò)展區(qū)為脆性疲勞斷口形貌，可見明顯的疲勞輝紋，如圖3(c)所示。斷口顯示，裂紋是在熱水器內(nèi)膽外表面形成后，內(nèi)膽中不斷變化的水壓周期性的改變裂紋兩側(cè)的應(yīng)力，使裂紋以疲勞斷裂的方式不斷向熱水器內(nèi)表面擴(kuò)展的。

圖3 斷口微觀形貌

2.4 金相檢驗

將2#和3#試樣鑲嵌后，用240#—600#—1200#水磨氧化鋁砂紙磨平后拋光，并用4%硝酸酒精浸蝕后，觀察焊縫、裂紋形態(tài)及試樣各處組織。圖4(a)、4(b)為2#試樣焊縫低倍及裂紋，圖5(a)、5(b)為3#試樣焊縫低倍及裂紋，兩個試樣的裂紋均位于一側(cè)焊肉與基板連接處，而另一側(cè)則未見裂紋。裂紋所在的連接處，其焊肉余高與基板之間夾角與未見裂紋一側(cè)相比，均顯得更加尖銳，此處更易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

此外，從裂紋與焊縫的位置關(guān)系來看，我們還可以發(fā)現(xiàn)，裂紋起源于焊縫與熱影響區(qū)的交界處，如圖6所示。焊縫處組織為鐵素體+貝氏體+少量珠光體，如圖7所示，熱影響區(qū)組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏體，如圖8所示。裂紋兩側(cè)組織存在明顯差異，此處會產(chǎn)生一定的組織應(yīng)力。試樣基體組織為鐵素體+少量珠光體+少量滲碳體，未見異常組織。

圖4 2#試樣焊縫低倍與裂紋形貌

圖5 3#試樣焊縫低倍與裂紋形貌

圖6 裂紋與附近組織 100×

圖7 焊縫組織 500X

圖8 熱影響區(qū)組織 500X

3 討論分析

由以上檢驗結(jié)果可見，該熱水器內(nèi)膽的化學(xué)成分、力學(xué)性能均符合產(chǎn)品要求，基體金相組織亦未見異常。斷裂源于焊肉與基體交界處，此處也是焊縫與熱影響區(qū)的交界處，因此這里存在由焊縫與熱影響區(qū)組織差異帶來的組織應(yīng)力，并且當(dāng)熱水器內(nèi)膽在水壓疲勞試驗過程中，受到水壓膨脹作用力時，在焊肉與基體所構(gòu)成的尖角處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此該處屬于應(yīng)力高度集中區(qū)域。當(dāng)該處應(yīng)力超出材料所能承擔(dān)的范圍時，就會形成裂紋源，并在周期變化的水壓驅(qū)動下，形成疲勞裂紋擴(kuò)展。

4 結(jié)語

該熱水器屬于應(yīng)力疲勞斷裂，焊縫與基體夾角處存在較大應(yīng)力集中是導(dǎo)致斷裂產(chǎn)生的主要原因。