304不锈钢管管套装搭接焊接结构失效分析

张 新，梅 明，赵 庭

（西安德森新能源装备有限公司，西安 710000）

1 概 述

管管套装搭接焊接结构是一种以厚壁管套在薄壁管外的结构，其中厚壁管内径与薄壁管外径的设计尺寸一致，仅在机械加工时要求，厚壁管内径按照上偏差，薄壁管外径按照下偏差，直径差值控制在0.2～0.3 mm，保证薄壁管可以套入厚壁管。 管管套装焊接结构使用状态下的剖面如图1所示。

图1 管管套装焊接结构使用状态下的剖面图

图1 所示的焊接结构件是一种焊接绝热气瓶的出液管由夹层穿出到外部的结构形式，由于夹层内侧无法焊接，故只能在外部对结构进行焊接。该焊接结构可以增大薄壁管所承受的剪切力，由于结构限制仅在单侧焊接，自身具有一定的径向缓冲间隙，因此在疲劳载荷下使用具有一定优势。

目前焊接绝热气瓶使用的主要材质均为304奥氏体不锈钢，该材质具有良好的焊接性，当经历焊接热输入的作用之后，其组织会发生变化，如果前期处理工艺不当就会产生焊接质量问题。本研究采用化学成分检测、 金相组织、 断口形貌等分析方法，并结合其结构特点和使用工况，对304 奥氏体不锈钢管管套装搭接焊接结构进行了分析，研究该焊接结构件失效的主要原因。

2 管管套装搭接焊接结构件失效状况

某管管套装焊接结构件纵向剖面实物及其宏观裂纹照片如图2 所示。 图2 （a） 中，通液薄壁管①的规格为 Φ10mm×2 mm×100 mm，厚壁管②的规格为Φ22 mm×12 mm×30 mm，外套管③的规格为Φ30 mm×8 mm×15 mm，外套管④的规格为 Φ30 mm×8 mm×20 mm。 该焊接结构件在实际工况下失效，导致焊接绝热气瓶夹层真空被破坏。 相关技术人员采用渗透检测和宏观金相观察发现，失效位置位于通液薄壁管①与厚壁管②连接焊缝背面处，缺陷类型为穿透性裂纹，裂纹沿通液薄壁管壁厚方向 （见图2 （b）），裂纹边缘光滑无齿状弯折，其他位置未发现裂纹等缺陷。

图2 某管管套装焊接结构件纵向剖面实物及其宏观裂纹照片

3 试验过程

3.1 化学成分检测

管管套装焊接失效结构件为太原钢铁 （集团）有限公司生产的304 奥氏体不锈钢管加工的管接头，不锈钢管执行GB/T 14976—2012 《流体输送用不锈钢无缝钢管》 标准，不锈钢棒执行GB/T 1220—2016 《不锈钢棒》 标准。 焊材为 Φ2.0 mm的ER308L 不锈钢实芯焊丝，执行 YB/T 2092—2005 《焊接用不锈钢丝》 标准。 304 奥氏体不锈钢管、 钢棒及ER308L 焊丝的化学成分见表1。

将表 1 中 304 奥氏体不锈钢管、 钢棒及ER308L 焊丝的化学成分与相关标准对比，结果均符合要求。 采用手工TIG 焊接方法焊接各零部件，其中通液薄壁管与内部套管的焊接参数为：电流 （150±5） A，电压 （11.5±0.5） V，焊接速度100 mm/min，焊后焊缝空气冷却。

表1 304 奥氏体不锈钢管、 钢棒及ER308L 焊丝的化学成分

3.2 金相显微组织观察

图3 裂纹附近的金相组织

参照GB/T 3375—1994 进行焊接缺陷及组织分析，分别对通液薄壁管与内部套管接头裂纹区附近组织进行了显微组织观察，观察结果如图3 所示。 焊接接头主要分为焊缝区、 熔合线和热影响区，热影响区又分为过热区，正火区和部分相变区。 由图3 （c） 和图3 （d） 可以看出，母材为单一的奥氏体组织，焊缝区基体为奥氏体组织，同时分布着方向较强的铁素体，热影响区的奥氏体组织晶粒粗大，有少量铁素体析出，但区域宽度较小。 起裂位置位于焊缝熔合线位置，裂纹在发展过程中穿过母材而断裂，即裂纹起裂后迅速发展至全部穿透性裂纹。3.3 裂纹断口形貌观察

通过扫描电子显微镜 （SEM） 对失效件断裂的通液薄壁管断口形貌进行观察，结果如图4 所示。

图4 裂纹断口SEM 形貌

由图4 （a） 和图4 （b） 可见，断口比较平滑，属于脆性疲劳断裂。 图4 （c） 可以看出，起裂位置比较平整，且起裂后裂纹继续在疲劳断裂的初始阶段； 由图4 （e） 可见，裂纹扩展区存在明显均匀发展的疲劳条纹 （类似海滩带条）； 由图4 （f）可见，瞬断区疲劳裂纹已经变成非均匀发展的疲劳带条纹，且在最终断裂区域有明显解理面出现。

通过基体扫描和EDS 分析观察图4 （b） 中的黑色物质，结果见图5 和表2。 分析结果表明，该黑色物质为GaO 颗粒，为制备试样时掺入的杂质。通过基体扫描和EDS 分析观察图4 （c） 中的黑点，结果见图6 和表3。 分析结果表明，黑点与母材成分相近，是由于疲劳裂纹扩展过程中裂纹两侧相互撞击形成的小平台。

图5 图4 （b） 中黑色物质的SEM 形貌和 EDS 图谱

表2 图4 （b） 中黑色物质的能谱分析结果

图6 图4 （c） 中黑点 SEM 形貌和 EDS 图谱

表3 图4 （c） 中黑点的能谱分析结果

4 试验结果分析与讨论

4.1 材料分析

由表1 化学分析结果可见，母材与焊材的化学成分均符合相关标准的要求。

4.2 金相组织分析

由于熔合线区域的微观行为十分复杂，焊缝与母材的不规则结合，形成了参差不齐的分界面。此区域的范围虽然很窄，但由于其组织均匀性较差，故对焊接接头的强度、 韧性的影响较大，也是大多数裂纹、 脆性破坏的发源地。 图2 （a） 中起裂位置位于通液薄壁管外径与厚壁管内径及两者连接焊缝背面根部位置，该位置是尖锐夹角，同时也是焊缝与母材连接的位置，容易形成高倍数的应力集中，因此一旦起裂，裂纹就会快速发展，这与图2 （b） 和图3 （b） 中裂纹在扩展过程中路径平直的情况相吻合。 而且由于裂纹起裂后疲劳载荷持续不断施加力的作用，导致裂纹有足够的能量可以沿母材继续扩展。

4.3 断口形貌分析

断口形貌为典型的疲劳断裂形貌，起裂端断口平滑，裂纹扩展区疲劳带条纹均匀发展，最后在瞬断区断裂，瞬断区有明显的解理台面。

5 结 论

通过对304 不锈钢管管套装搭接焊接结构失效件进行化学成分、 金相组织、 断口形貌的分析，并结合其结构特点，得出了以下几点结论：

（1） 管管套装搭接焊接结构件由于结构本身的特点，易在通液薄壁管外径与厚壁管内径及两者连接焊缝背面根部的位置产生应力集中，加之该处是熔合线位置，组织均匀性较差，故容易导致结构件的开裂。

（2） 管管套装搭接焊接结构的断裂失效模式是疲劳脆性断裂。