液压缸筒焊接接头断裂失效分析

李 腾 高 杨 武丽明 杨少华 袁 里 赵 燕

液压缸筒焊接接头断裂失效分析

李 腾1高 杨2武丽明1杨少华2袁 里1赵 燕1

（1. 山西航天清华装备有限责任公司，长治 046012；2. 火箭军驻某军事代表室，长治 046012）

液压油缸在整机装配过程中缸筒焊接接头焊缝开裂，取断裂的焊接接头进行形貌观察、成分分析、扫描电镜观察、金相分析及能谱分析。结果表明：由于焊前预热不到位、焊后保温不及时，导致缸筒焊接接头焊缝热影响区出现马氏体组织，在应力腐蚀作用下，形成脆性裂纹，后期焊接热影响区在残余应力和腐蚀介质的作用下，裂纹逐步扩展发生断裂。

40Cr钢焊接；断裂；应力腐蚀

1 引言

40Cr钢是一种应用广泛的中碳调质钢，具有较高的淬透性和良好的综合力学性能，疲劳强度高。用于制造较重要的在交变载荷下工作的产品零件[1]，作为调质钢广泛应用于航天各类机械产品中。

液压油缸是液压系统产品中重要的执行元件，缸筒是液压油缸的主要部件，而缸筒焊接接头断裂会引起液压油缸渗漏，导致液压系统工作失效。某产品液压油缸缸筒焊接接头在使用过程中接头断裂，取断裂的接头进行宏观及微观分析，找到接头断裂失效的根本原因，针对性采取工艺措施，提高后续接头的焊接质量。

2 现象分析

图1 接头外观形貌

接头所用材料为40Cr，调质处理硬度HB250～280，接头断裂位置位于焊缝区域附近。接头外观形貌见图1，断裂位置位于距根部约6mm处，未发现明显塑性变形，接头表面的漆层较为完好，无明显破损现象。

实体显微镜下观察，如图2a所示断口部位凹凸不平，断面包括界线分明的两部分：弧长约2/3周长范围内外圈断面呈灰黑色，断面最大深度约2.3mm，约占总壁厚的1/2，如图2b所示；其余断面呈纤维状，有金属光泽，根据上述形貌特征判断，灰黑色断面应为陈旧性裂纹，如图2c所示。

图2 端口部位显微镜下观察图

3 理化检验

3.1 原材料成分分析

取断裂的接头进行化学成分分析，结果见表1。

表1 活塞杆化学成分 %

由上述检验结果可知，接头所用材料40Cr符合GB/T3077—1999的要求。

3.2 金相分析

为确定接头断裂位置，以接头断口区域为研究对象，通过制备试样、金相观测，得出以下结果：沿晶断口区域附近有明显的沿晶二次裂纹，接头外表漆层完好无破损；断口区域附近为马氏体组织，远离断口组织为索氏体组织，断口断裂区一侧存在少量焊缝，根据组织形态判断，接头断裂位置位于焊接热影响区。具体见图3a、图3b。

图3 断口区域微观图

3.3 扫描电镜分析

通过扫描电镜观察发现，断口起源于外表面，为多处起裂，灰黑色断面整体为沿晶形貌，晶面上应力腐蚀情况较为严重，多处存在微孔状形态，同时仍发现部分区域存在沿晶二次裂纹；金属色断面部位呈韧窝形貌，存在条形状夹杂物。微观形貌见图4a、图4b。

3.4 能谱分析

从接头上切取断面试样放置于扫描电镜下进行能谱分析，如图5a所示，韧窝区域主要含有Fe（主）、Cr（1.5%）、Mn（1.1%）、Si（0.4%）元素，主合金元素及含量与40Cr牌号相符；如图5b所示，沿晶区域除基体元素外还含有O元素及腐蚀性介质S元素，夹杂物主要含有Mn、S、Fe元素，应为硫化物夹杂。

4 分析与讨论

4.1 机理分析

根据以上分析得出，接头断裂位置距根部约6mm，断口位置无明显塑性变形，断裂区域有焊接冷裂纹，通过对断口微观形貌观测，初步确定应力腐蚀为产生裂纹的根源；通过能谱分析发现，沿晶区域存在氧元素及硫元素，该部分断面为陈旧裂纹；其余断面区域有金属色光泽，微观状态为韧窝形貌，由裂纹快速扩展形成。通过实验测量及观测，经分析本次液压缸筒断裂模式为脆性延迟断裂，其根源为应力腐蚀。

40Cr钢属于中碳合金调质钢，有较大的焊接冷裂倾向[2，3]。这种钢在不预热的情况下焊接，粗晶区中几乎不可避免地出现孪晶马氏体[4]，马氏体是产生冷裂纹的先决条件。焊前预热不到位、焊后保温不充分，导致马氏体在焊接过程中冷却过快产生。

延迟断裂是焊接接头应力腐蚀失效的典型特征，该缺陷产生的根源在于接头区域受拉应力、腐蚀介质的双重作用。液压缸筒焊接接头焊缝为环焊缝，焊缝及其附近区域存在较高的残余应力；接头随部件进行氧化处理后，在焊接热影响区存在的较大残余应力与表面腐蚀介质的双重影响下，发生应力腐蚀，形成脆性裂纹损伤（陈旧裂纹），后续使用过程中裂纹损伤快速扩展发生断裂。

4.2 改进建议

a. 制定合适的焊前预热和焊后热处理工艺并按要求严格执行。

b. 应选择热能集中、能力密度大的焊接方法。以气体保护焊为好，尤其是钨极氩弧焊，它的热量较易控制，焊接质量易保证[1]。

5 结束语

通过观察与分析，接头断裂位置位于焊缝热影响区，发生断裂的原因是由于焊接接头焊前预热不到位、焊后保温不充分，导致焊接热影响区出现针状马氏体，表面发生应力腐蚀，形成脆性裂纹损伤（陈旧裂纹），后期焊接热影响区在较大残余应力与表面腐蚀介质的双重影响下，裂纹损伤发生快速扩展发生断裂。

1 陈祝年. 焊接工程师手册[M]. 北京：机械工业出版社,2002

2 刘群奇,李平. 40Cr电动机传动轴轴径的焊补及焊后加工工艺[J]. 煤矿机械，2010，31(7)：97～99

3 孙燕. ZG270-500与40Cr的焊接[J].焊接技术,2009,38(6)：58～59

4 彭西洋,王春芬. 40Cr钢法兰焊接接头断裂原因分析[J]. 新技术新工艺，2012，27(2)：77～79

Fracture Failure Analysis of Welded Joint of Hydraulic Cylinder

Li Teng1Gao Yang2Wu Liming1Yang Shaohua2Yuan Li1Zhao Yan1

(1. Shanxi Aerospace Qinghua Equipment Co., Ltd., Changzhi 046012；2. Representative Office of Rocket Force, Changzhi 046012)

During the assembly process of the hydraulic cylinder, the welding seam of the welded joint of the cylinder barrel cracked. The broken welded joint was analyzed by morphology observation, composition analysis, scanning electron microscope observation, metallographic analysis and energy spectrum analysis. The results show that the martensite structure appears in the weld heat affected zone of the cylinder welded joint due to the lack of preheating before welding and the delay of heat preservation after welding. Under the action of stress corrosion, brittle cracks are formed. Under the action of residual stress and corrosive media, cracks gradually expand and fracture occur in the welding heat affected zone in the later stage.

40cr steel welding；fracture；stress corrosion

TG441.7

A

李腾（1988），工程师，机械设计制造及其自动化专业；研究方向：机械制造工艺。

2021-03-04