船舶用帶銅襯套通艙管件焊接開裂原因

潘恒沛,楊 曉,張利娟,張欣耀,2

(1.洛陽(yáng)船舶材料研究所,洛陽(yáng) 471023；2.河南省船舶及海工裝備結(jié)構(gòu)材料技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,洛陽(yáng) 471023)

帶銅襯套通艙管件通常用于船舶海水管路系統(tǒng)中，該類管件規(guī)格齊全，價(jià)格適中，具有較好的防海洋生物污損性能。在實(shí)際安裝過(guò)程中，通常采用黃銅釬焊的方法將法蘭與管件本體進(jìn)行連接，以保證帶銅襯套通艙管件的密封性[1]。某帶銅襯套通艙管件的本體材料為20Cr鋼，狀態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)。焊接前管件本體端面未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的裂紋，焊接后采用滲透探傷，可見多條裂紋，焊接材料為S221錫黃銅，焊接方式為釬焊。為找出帶銅襯套通艙管件表面裂紋產(chǎn)生的原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

開裂帶銅襯套通艙管件的宏觀形貌見圖1a)，管件本體表面呈金屬色，管件心部為銅襯套，法蘭與管件本體之間存在一圈黃銅色釬焊填充物，未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋。滲透探傷后觀察，可見管件本體端面存在多條細(xì)小裂紋，裂紋沿管件圓心向周圍呈放射狀分布，見圖1b)。

圖1 開裂帶銅襯套通艙管件的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

對(duì)帶銅襯套通艙管件本體進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，可見管件本體的化學(xué)成分符合GB/T 3077-1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)20Cr鋼的技術(shù)要求。

表1 帶銅襯套通艙管件本體的化學(xué)成分

1.3 拉伸試驗(yàn)

在帶銅襯套通艙管件本體截取試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見表2，可見管件本體的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均不符合GB/T 3077-1999標(biāo)準(zhǔn)對(duì)20Cr鋼的技術(shù)要求，伸長(zhǎng)率和斷面收縮率符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 帶銅襯套通艙管件本體的拉伸性能

1.4 斷口分析

在帶銅襯套通艙管件本體端面裂紋較多的區(qū)域截取試樣，沿裂紋將試樣斷開，觀察其斷口的微觀形貌。由圖2可見，斷口整體呈沿晶斷裂的形貌特征，部分區(qū)域晶粒表面呈熔融形貌。對(duì)沿晶斷裂和熔融特征明顯的區(qū)域進(jìn)行能譜分析。由表3可見，斷口處的氧含量極低，且含有一定量的銅、鋅、錫等元素，其中沿晶斷裂區(qū)域的銅含量較低，熔融特征明顯區(qū)域主要含銅和鋅元素，以及少量的鐵、錫元素。

圖2 將帶銅襯套通艙管件沿裂紋斷開后斷口的微觀形貌

表3 將帶銅襯套通艙管件沿裂紋斷開后斷口不同區(qū)域的能譜分析結(jié)果

1.5 金相檢驗(yàn)

裂紋沿帶銅襯套通艙管件本體端面圓心向四周呈放射狀分布。由圖3可見：帶銅套通艙管件本體表面裂紋內(nèi)存在黃色物質(zhì)；管件本體的顯微組織為鐵素體+珠光體組織，裂紋沿晶界擴(kuò)展。對(duì)裂紋內(nèi)黃色物質(zhì)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表4，可見其主要成分為銅，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為60%，鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為30%。

圖3 帶銅襯套通艙管件本體表面裂紋處的顯微組織形貌

表4 帶銅襯套通艙管件本體表面裂紋內(nèi)黃色物質(zhì)的能譜分析結(jié)果

2 分析與討論

帶銅襯套通艙管件本體的化學(xué)成分符合GB/T 3077-1999標(biāo)準(zhǔn)對(duì)20Cr鋼的技術(shù)要求。管件本體的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)要求，伸長(zhǎng)率和斷面收縮率符合標(biāo)準(zhǔn)要求，拉伸性能不合格。

帶銅襯套通艙管件本體端面存在多條細(xì)小裂紋，裂紋沿管件端面圓心向周圍呈放射狀分布。將管件沿裂紋斷開后，其斷口整體呈沿晶斷裂特征，部分區(qū)域晶粒表面呈熔融特征形貌，局部區(qū)域表面可見一層覆蓋物，斷口處氧含量極低，且含有一定量的銅、鋅、錫等元素。金相檢驗(yàn)結(jié)果表明：管件本體的顯微組織為鐵素體+珠光體組織，這與調(diào)質(zhì)處理后的顯微組織不符；裂紋均沿晶界擴(kuò)展，裂紋內(nèi)存在黃色物質(zhì)，其主要化學(xué)成分為銅、鋅、鐵、錫，這與焊接材料S221錫黃銅的主要化學(xué)成分基本一致。

焊接是在溫度較高的含氧環(huán)境中進(jìn)行的，斷口未發(fā)現(xiàn)明顯氧化特征，能譜分析也未發(fā)現(xiàn)較高含量的氧元素，因此排除裂紋是在焊接前產(chǎn)生的。有研究表明，在一定的溫度和拉應(yīng)力作用下，低熔點(diǎn)金屬容易從零件表面沿晶界進(jìn)入材料內(nèi)部，使材料脆化，形成裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致零件失效，這種類型的開裂被稱為液態(tài)金屬致脆開裂[2]。一般認(rèn)為，當(dāng)零件實(shí)際溫度達(dá)到低熔點(diǎn)金屬熔點(diǎn)的2/3或1/2時(shí)，在拉應(yīng)力作用下，低熔點(diǎn)金屬即會(huì)沿晶界滲入金屬內(nèi)部致使材料脆化而逐漸形成裂紋。低熔點(diǎn)金屬受熱液化時(shí)，若與固體金屬表面直接接觸，在拉應(yīng)力作用下會(huì)在固體金屬表面起裂，裂紋尖端吸附低熔點(diǎn)金屬液態(tài)原子，進(jìn)一步降低固體金屬的晶體結(jié)合強(qiáng)度，導(dǎo)致裂紋沿晶界擴(kuò)展。

S221錫黃銅為低熔點(diǎn)金屬，若焊接工藝控制不當(dāng)，焊材金屬與管件本體接觸時(shí)極易產(chǎn)生液態(tài)金屬致脆開裂現(xiàn)象，管件本體的異常顯微組織對(duì)低熔點(diǎn)金屬沿晶界擴(kuò)散有促進(jìn)作用。

綜上所述，帶銅襯套通艙管件開裂的類型屬于液態(tài)金屬致脆開裂。在焊接過(guò)程中，低熔點(diǎn)金屬S221錫黃銅從管件本體端面沿晶界進(jìn)入材料內(nèi)部，導(dǎo)致材料脆化，形成裂紋。

3 結(jié)論及建議

(1)帶銅襯套通艙管件開裂模式為液態(tài)金屬致脆開裂。在焊接過(guò)程中，S221錫黃銅中的低熔點(diǎn)金屬?gòu)墓芗倔w端面沿晶界進(jìn)入材料內(nèi)部，導(dǎo)致材料脆化，形成裂紋，管件本體的異常顯微組織對(duì)低熔點(diǎn)金屬沿晶界擴(kuò)散有促進(jìn)作用。

(2)建議嚴(yán)格控制管件本體的熱處理工藝及顯微組織，通過(guò)預(yù)熱、控制焊接溫度等措施縮短管件在高溫環(huán)境中的停留時(shí)間。經(jīng)驗(yàn)證，控制管件本體組織為回火索氏體，焊接前，管件經(jīng)300 ℃預(yù)熱，焊接過(guò)程中溫度保持在300～350 ℃，管件本體未發(fā)生開裂。