分享：反應(yīng)釜焊縫開(kāi)裂原因

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片脫芯用反應(yīng)釜在使用3個(gè)月后出現(xiàn)明顯滲漏現(xiàn)象。該反應(yīng)釜的釜身材料為304不銹鋼，轉(zhuǎn)接部位采用焊接工藝，滲漏部位處于該焊縫附近。反應(yīng)釜的失效部位常見(jiàn)于焊縫、釜底[1-3]等。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)該反應(yīng)釜進(jìn)行分析，查明了其開(kāi)裂原因，并提出了改進(jìn)建議，以避免該類(lèi)問(wèn)題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

開(kāi)裂反應(yīng)釜的宏觀形貌如圖1所示，開(kāi)裂位置為靠近釜底處。 

圖  1  開(kāi)裂反應(yīng)釜的宏觀形貌

反應(yīng)釜與釜身通過(guò)焊接連接，焊接前在釜內(nèi)壁各預(yù)制了一層鎳板，然后在外部實(shí)施焊接，形成外焊縫。為增加內(nèi)部密封性，廠商在完成外部焊接后，在內(nèi)壁又增加了一層鎳板（即附加鎳板），然后在其上下兩處實(shí)施焊接，于內(nèi)壁形成上焊縫和下焊縫（見(jiàn)圖2）。 

圖  2  焊接結(jié)構(gòu)示意

使用內(nèi)窺鏡檢查釜內(nèi)裂紋分布情況，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：共發(fā)現(xiàn)4處裂紋，其中位置1的裂紋出現(xiàn)在下焊縫，位置2~4的裂紋出現(xiàn)在上焊縫，4處裂紋均在焊道中部，裂紋附近呈較明顯銹蝕色。 

圖  3  釜內(nèi)裂紋的宏觀形貌

釜外部共有兩處發(fā)生區(qū)域性滲漏，分別與內(nèi)部位置1，2，以及位置3，4的側(cè)焊縫裂紋處相對(duì)應(yīng)（見(jiàn)圖4）。外部裂紋主要沿焊縫邊緣的焊趾部位擴(kuò)展，滲漏區(qū)域附近不銹鋼釜體發(fā)生嚴(yán)重銹蝕，可見(jiàn)大量褐色銹蝕產(chǎn)物附著。 

圖  4  釜外部裂紋宏觀形貌

取下部分附加鎳板后，觀察釜內(nèi)壁的宏觀形貌如圖5所示。由圖5可知：外焊縫裂紋完全沿焊趾邊緣擴(kuò)展；附加鎳板的焊縫邊緣裂紋為位置3的裂紋；預(yù)制鎳板未能完全覆蓋住不銹鋼釜體，在外焊縫附近有多處裸露，若附加鎳板開(kāi)裂后，釜內(nèi)的溶液可以直接接觸到釜體的焊縫位置。 

圖  5  取下部分附加鎳板后釜內(nèi)壁的宏觀形貌

經(jīng)觀察，位置1~4各外焊縫斷口特征一致，各內(nèi)壁焊縫斷口特征一致，選取位置3為代表進(jìn)行分析。 

將內(nèi)壁上焊縫裂紋人工打開(kāi)，斷口清洗前，斷口表面呈灰色+紅褐色，表面較臟，可見(jiàn)較多附著物；使用鉻酸-硫酸溶液清洗斷口后，表面相對(duì)干凈，斷面呈暗灰色（見(jiàn)圖6）。 

圖  6  內(nèi)壁上焊縫裂紋打開(kāi)后斷口宏觀形貌

將外焊縫裂紋人工打開(kāi)，斷口清洗前，斷口表面呈紅褐色，表面較臟，可見(jiàn)較多泥紋狀的腐蝕產(chǎn)物；使用鉻酸-硫酸溶液清洗斷口后，表面相對(duì)干凈，斷面呈黃灰色（見(jiàn)圖7）。 

圖  7  外焊縫裂紋打開(kāi)后斷口宏觀形貌

1.2   掃描電鏡（SEM）及能譜分析

內(nèi)壁斷口清洗后的SEM形貌如圖8所示。由圖8可知：斷口可見(jiàn)典型的柱狀晶輪廓，裂紋沿焊縫區(qū)域的柱狀晶粒晶間開(kāi)裂；晶面上氧化痕跡較嚴(yán)重。對(duì)清洗后斷口表面進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)O元素含量較高（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%）。 

圖  8  內(nèi)壁斷口清洗后SEM形貌

外部斷口清洗后SEM形貌如圖9所示。由圖9可知：斷口處可見(jiàn)二次裂紋，斷口整體呈“冰糖狀”的沿晶斷裂特征。對(duì)清洗前斷口進(jìn)行能譜分析，得到O元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，K元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%。 

圖  9  外部斷口清洗后SEM形貌

1.3   金相檢驗(yàn)

沿?cái)嗫诮厝〗鹣嘣嚇?，將試樣進(jìn)行打磨、拋光、腐蝕處理，試樣的低倍形貌如圖10所示。由圖10可知：內(nèi)壁預(yù)制的鎳板并沒(méi)有完全覆蓋住釜體鋼板的焊縫表面；A區(qū)為外焊縫裂紋，沿焊縫邊緣（即焊接熱影響區(qū)）開(kāi)裂，逐漸穿透釜體鋼板；B區(qū)為釜體鋼板主體區(qū)域；C區(qū)為附加鎳板的焊縫裂紋位置。 

圖  10  金相試樣的低倍形貌

A區(qū)顯微組織形貌如圖11所示，可見(jiàn)裂紋沿晶界開(kāi)裂，且主裂紋還伴隨有裂紋分叉的現(xiàn)象。B區(qū)釜體鋼板的組織為奧氏體+變形滑移線，為典型的奧氏體不銹鋼組織（見(jiàn)圖12）。C區(qū)附加鎳板焊縫區(qū)域均呈柱狀晶形貌，鎳板斷口附近的焊接組織呈柱狀晶形貌，且在焊縫組織的內(nèi)部還可見(jiàn)沿晶開(kāi)裂的微裂紋（見(jiàn)圖13）。 

圖  11  A區(qū)顯微組織形貌

圖  12  B區(qū)顯微組織形貌

圖  13  C區(qū)顯微組織形貌

2.   綜合分析

反應(yīng)釜發(fā)生滲漏故障源于其存在兩類(lèi)開(kāi)裂：一類(lèi)是內(nèi)部附加鎳板的焊縫（下稱內(nèi)焊縫）中部開(kāi)裂，另一類(lèi)是外部不銹鋼板的焊縫（下稱外焊縫）焊趾開(kāi)裂。 

內(nèi)焊縫裂紋沿焊縫中部擴(kuò)展，斷口呈沿柱狀晶開(kāi)裂特征，焊縫內(nèi)部存在沿晶微裂紋。斷口表面氧化較重。說(shuō)明內(nèi)焊縫存在焊接不當(dāng)產(chǎn)生的熱裂紋。 

外裂紋沿焊趾邊緣擴(kuò)展，其主要沿焊接熱影響區(qū)擴(kuò)展。斷面腐蝕嚴(yán)重，可見(jiàn)泥紋花樣，清洗后可見(jiàn)典型的“冰糖狀”沿晶斷裂特征。斷面可見(jiàn)二次裂紋，主裂紋分叉擴(kuò)展。反應(yīng)釜在實(shí)施葉片脫芯作業(yè)時(shí)，釜內(nèi)主要是KOH等堿性溶液，這與能譜分析結(jié)果顯示的斷口表面有較高含量K元素相吻合。研究表明[4-6]，304不銹鋼在高溫堿性溶液中存在應(yīng)力腐蝕傾向。說(shuō)明外焊縫裂紋性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕裂紋。 

通過(guò)反應(yīng)釜的裂紋分布情況可知，釜內(nèi)部有4處裂紋，外部滲漏分為2塊區(qū)域，其與內(nèi)部裂紋的位置是對(duì)應(yīng)的。從結(jié)構(gòu)關(guān)系上看，如果內(nèi)部的附加鎳板無(wú)裂紋，釜內(nèi)的溶液則接觸不到外焊縫，不可能造成腐蝕開(kāi)裂。因此判斷，內(nèi)焊縫的焊接熱裂紋是造成反應(yīng)釜泄漏的根本原因。 

附加鎳板使用純鎳材料，存在較強(qiáng)的焊接熱裂紋傾向。因?yàn)榧冩嚨脑牧现泻形⒘康腟、P等雜質(zhì)元素，焊接后熔融區(qū)的鎳金屬?gòu)囊簯B(tài)開(kāi)始冷卻凝固，該過(guò)程中S、P元素與Ni元素易形成低熔點(diǎn)共晶相，沿晶界析出，并形成液態(tài)薄膜，降低了晶界的強(qiáng)度。隨后在焊接殘余應(yīng)力和冷卻收縮應(yīng)力的作用下，材料發(fā)生沿晶開(kāi)裂，即熱裂紋。 

由于焊接過(guò)程的熱影響，奧氏體不銹鋼焊縫附近組織易發(fā)生敏化，碳化物沿晶界析出，形成微通道，導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)滲透進(jìn)入晶界，使基體發(fā)生沿晶開(kāi)裂，成為腐蝕的薄弱點(diǎn)。外焊縫裂紋在焊接熱影響區(qū)內(nèi)沿晶擴(kuò)展。 

反應(yīng)釜將預(yù)制鎳板壓在焊縫區(qū)域，目的是增加保護(hù)層，防止釜內(nèi)腐蝕介質(zhì)接觸到不銹鋼板，增加釜體的耐腐蝕能力。但是，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，預(yù)制鎳板并未完全覆蓋不銹鋼釜體。在這種狀態(tài)下，一旦腐蝕介質(zhì)侵入，反而會(huì)滿足電偶腐蝕的條件，加速鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕。 

綜合以上分析可知，反應(yīng)釜內(nèi)部的附加鎳板存在原始焊接熱裂紋缺陷，且預(yù)制鎳板未完全覆蓋住釜體內(nèi)壁，使得釜內(nèi)的高溫堿液直接腐蝕外焊縫。外焊縫熱影響區(qū)域存在一定程度的敏化，在加工和焊接殘余應(yīng)力，以及冷熱交替應(yīng)力的作用下，外焊縫發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，最終導(dǎo)致釜體發(fā)生滲漏。 

3.   結(jié)論及建議

反應(yīng)釜發(fā)生滲漏故障的原因是內(nèi)部附加鎳板的焊縫中部開(kāi)裂，以及外部不銹鋼板的焊縫焊趾開(kāi)裂。內(nèi)焊縫裂紋性質(zhì)為焊接熱裂紋，外焊縫裂紋性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕裂紋。由于反應(yīng)釜內(nèi)部的附加鎳板存在原始焊接熱裂紋缺陷，且預(yù)制鎳板未完全覆蓋住釜體內(nèi)壁，使得釜內(nèi)的高溫堿液直接腐蝕外焊縫。外焊縫熱影響區(qū)域存在一定程度的敏化，在加工和焊接殘余應(yīng)力，以及冷熱交替應(yīng)力的作用下，外焊縫發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。 

建議加強(qiáng)反應(yīng)釜焊接工藝設(shè)計(jì)，避免發(fā)生介質(zhì)隔絕、腐蝕敏感、焊接缺陷等問(wèn)題。

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