复合环形气瓶爆裂原因分析

燕 翔，刘礼军，姜 涛

(1．湖北三江航天红阳机电有限公司，湖北孝感432100;2．中国航发失效分析中心，北京100095)

0 引言

气瓶是化工、机械、航天、航空、造船、海洋开发等领域普遍采用的一种重要的储气压力容器，复合材料气瓶是其中的一种形式，相比单纯金属气瓶，复合气瓶具有质量轻、承载能力大、负载工作寿命长、安全性高等突出优点，逐渐成为气瓶发展的一种趋势［1］，复合气瓶主要分为金属内衬复合材料气瓶和全复合材料气瓶。航天用动力源气瓶采用环形结构，外层芳纶纤维增强的树脂基复合材料缠绕成形，金属内衬采用TC4钛合金超塑成形后再经激光焊接，气瓶结构紧凑，密封性好，承压高，爆破压力可达到80 MPa，然而在爆破试验中未能达到60 MPa设计指标而发生爆裂失效，本研究运用多种手段对失效气瓶裂纹及断口进行综合分析，确定失效性质，查找失效原因，为推动激光焊接技术工程化运用提供参考价值。

1 试验过程与结果

1．1 宏观观察

外观观察，爆裂气瓶有一处环向破口，破口处复材包裹层撕裂外翻，其他部位包裹层完好，气瓶整体无明显变形。扒除复材包裹层后发现内衬上有一条连贯裂纹，裂纹按特征分为周向和环向，周向扩展大半个圆周后一端接近环向裂纹而终止，另一端沿气瓶横向继续扩展一圈后形成环向裂纹，气瓶在此形成横向断裂(图1)。

周向裂纹扩展途经内、外焊缝各1处，裂纹整体平直，在2处焊缝处发生明显偏折。裂纹沿内焊缝曲折扩展长约70 mm，沿外焊缝扩展长度约12 mm(图2)。周、环向裂纹扩展途径的焊缝表面未见明显机械损伤与焊接缺陷，周向裂纹除途径的焊缝区外均呈快速扩展斜断口特征，环向裂纹包括焊缝均呈快速扩展的斜断口特征，在环向裂纹与周向裂纹交汇的尖角处断面呈剪切断口，该区为终断区(图3)。总体来看，环向裂纹由周向裂纹转向扩展形成，裂纹交汇段呈V形斜断口，其他区域为单向斜断口。

图1 气瓶及内衬整体外观Fig．1 Appearance ofcylinder and lining

图2 周向裂纹途径焊缝外表面形貌Fig．2 Circumferential crack passing through weld surface

环向断口均呈塑性纤维状特征，终断区可见剪切挤压损伤，V形断面可见裂纹快速扩展形成的人字纹［2］，裂纹源头指向周向裂纹区(图4)。

周向内、外焊缝区裂纹打开后观察发现，外焊缝裂纹沿内侧焊趾部位扩展，而后延伸到焊缝内部，断口呈快速扩展的斜断面，焊缝未见异常损伤和焊接缺陷(图5)。

周向内焊缝裂纹也沿内侧焊趾部位扩展，而后延伸到焊缝中部，在外侧看裂纹中段为焊缝收弧段。观察焊缝收弧段断口有三角形平坦区，两侧均为斜断面，靠内侧焊趾部位的平坦区边缘可见多个金黄色更为平坦的小平面，中间的一个平面面积最大，深度约1．4 mm，其轮廓不规则(图6)。裂纹起始于焊缝内焊缝焊趾根部。

图3 环向裂纹外观及断口形貌Fig．3 Appearance and fracture morphology of the ring crack

图4 环向裂纹断口主要特征区宏观形貌Fig．4 Macroscopic morphology of the main feature area of the ring crack fracture

图5 周向裂纹外焊缝及断口形貌Fig．5 Outside weld and fracture morphology of circumferential crack

图6 周向裂纹内焊缝裂纹及断口形貌Fig．6 Inside weld crack and fracture appearance of the circumferential crack

1．2 断口微观观察

在电镜下观察四处焊缝裂纹断口微观特征。环向内、外焊缝断面微观均为撕裂韧窝特征，为快速过载断裂区［3］，周向裂纹外焊缝斜断面也均为典型撕裂韧窝。

周向内焊缝金黄色小平面为沿针状马氏体基体开裂的准解理特征［4］，未见损伤与焊接缺陷。小平面外周均为韧窝特征，边界过渡区可见很小的疲劳扩展区，有明显的疲劳条带特征，断口其他区域均为韧窝特征(图7)。平坦区边缘其他小平面特征与此基本一致。

观察焊缝横向、焊趾根部纵向人工断口，宏观断面均呈银灰色，纤维状特征，微观下2个断面均呈韧窝特征，未见准解理特征(图8)。

1．3 微区成分测定

运用X射线能谱仪测定准解理断面和韧窝断面化学成分，结果发现，特征区元素组成相同，包括基体 Al、Ti、V元素，以及 O元素;准解理断面O元素含量明显高于正常区域，准解理断面O含量约11%(质量分数，下同)，而正常区域仅为3%。

1．4 金相组织检查

裂纹平坦区、斜断面区横剖面低倍形貌基本一致，在焊缝区晶粒粗大并向热影响区晶粒逐渐减小，平坦区剖面可见收弧形成的二次焊接区［5］(图9)。进一步观察焊缝区呈针状马氏体组织，基体为等轴组织，外焊缝横剖面组织与内焊缝基本一致(图10)。内衬基体呈细小等轴α+β组织［6］(图 11)。

2 分析讨论

通过观察发现，环向裂纹由环向裂纹扩展形成，环向裂纹与周向裂纹交汇后整体形成一条连贯裂纹。环向裂纹途经内、外两处焊缝形成横断面，所有断面均为快速扩展的斜断口。周向裂纹扩展途经内、外焊缝各一处，除内侧焊缝区裂纹断面局部存在平坦区外，其余均为快速扩展的斜断口，内侧焊缝断面的平坦区应为裂纹源。

图7 周向裂纹内焊缝断面微观形貌Fig．7 Micro appearances of circumferential crackfracture at the weld zone

图8 焊缝人工断口微观形貌Fig．8 Artificial fractureof weld

图9 焊缝裂纹平坦区横剖面宏观形貌Fig．9 Vertical section macrostructure of crackinside weld

图10 焊缝裂纹平坦区横剖面组织Fig．10 Section microstructure of crack inside weld

图11 母材组织Fig．11 Microstructure of parent material

裂纹源位于内焊缝收弧段的焊趾，断面可见多个更为平坦且呈淡金黄色的小平面，小平面微观下成脆性的准解理断裂特征，焊缝横向人工断口、焊趾部位纵向人工断口均呈韧性断裂特征，未见脆性的准解理特征。在准解理与瞬断的韧窝特征区之间可见疲劳条带特征，表明裂纹后期经历了疲劳扩展阶段［7］。分析发现，淡金黄色准解理特征区O含量相对较高，特征区数量多、面积小，表明焊接过程中气体保护不足，未能完全隔绝外界环境，致使焊缝遭受外界环境气体侵害，发生环境吸氧、吸氢现象［8］。焊缝吸氢后在焊接应力驱动下，大量氢迅速地从焊缝表面向内部迁移、聚集，局部最大迁移深度接近衬壁中心，在随后的大致冷却阶段，焊接应力达到了开裂危险应力，未经过“延迟”的孕育期就直接发生瞬时过载开裂，造成环境吸氢条件下的氢脆裂纹［9］。从钛合金温色变化规律推测，氢脆裂纹的形成温度约400℃。钛合金化学性质较活泼，在常温下表面可生成较致密的氧化膜，随着温度的升高，在250℃开始吸氢，500℃开始吸氧，600℃开始吸氮［10］。从钛合金的吸气特性可以看出，在400℃高温下焊缝吸氢行为较剧烈，氢致断裂临界应力较小，因此未经过孕育就瞬时开裂。钛合金氢脆与一般钢件不同，其氢脆机理是氢化物诱发的氢脆［11］，属第一类氢脆，也属不可逆氢脆，断口典型微观特征呈准解理，与裂纹断面的微观特征一致。

零件激光焊接工艺规定，焊接采用氩气保护，在焊接收弧段进给速率保持恒定，在起收弧交汇处激光功率开始衰减，直至起收弧段重叠段长度达到150 mm后降至0，此后进给速率再逐渐减小至0，在此过程中氩气流量(16L/min)应始终保持恒定，待进给速率降至0后再关闭氩气阀门。根据焊接工艺分析，氩气保护不充分应与焊接收弧阶段气瓶余气储量不足有关。

3 结论

1)复合环形气瓶在爆破试验前已存在裂纹源，裂纹源位于内侧焊缝收弧段焊趾部位，在疲劳试验中裂纹发生疲劳扩展，爆破试验中因过载发生爆裂失效。

2)裂纹性质为氢脆裂纹，属焊接收弧阶段气体保护不充分引起环境吸氢。