船舶用带铜衬套通舱管件焊接开裂原因

潘恒沛,杨 晓,张利娟,张欣耀,2

(1.洛阳船舶材料研究所,洛阳 471023；2.河南省船舶及海工装备结构材料技术与应用重点实验室,洛阳 471023)

带铜衬套通舱管件通常用于船舶海水管路系统中，该类管件规格齐全，价格适中，具有较好的防海洋生物污损性能。在实际安装过程中，通常采用黄铜钎焊的方法将法兰与管件本体进行连接，以保证带铜衬套通舱管件的密封性[1]。某带铜衬套通舱管件的本体材料为20Cr钢，状态为调质态。焊接前管件本体端面未发现肉眼可见的裂纹，焊接后采用渗透探伤，可见多条裂纹，焊接材料为S221锡黄铜，焊接方式为钎焊。为找出带铜衬套通舱管件表面裂纹产生的原因，笔者对其进行了一系列理化检验和分析。

1 理化检验

1.1 宏观观察

开裂带铜衬套通舱管件的宏观形貌见图1a)，管件本体表面呈金属色，管件心部为铜衬套，法兰与管件本体之间存在一圈黄铜色钎焊填充物，未发现明显裂纹。渗透探伤后观察，可见管件本体端面存在多条细小裂纹，裂纹沿管件圆心向周围呈放射状分布，见图1b)。

图1 开裂带铜衬套通舱管件的宏观形貌

1.2 化学成分分析

对带铜衬套通舱管件本体进行化学成分分析，结果见表1，可见管件本体的化学成分符合GB/T 3077-1999《合金结构钢》标准对20Cr钢的技术要求。

表1 带铜衬套通舱管件本体的化学成分

1.3 拉伸试验

在带铜衬套通舱管件本体截取试样进行拉伸试验，结果见表2，可见管件本体的屈服强度、抗拉强度均不符合GB/T 3077-1999标准对20Cr钢的技术要求，伸长率和断面收缩率符合标准要求。

表2 带铜衬套通舱管件本体的拉伸性能

1.4 断口分析

在带铜衬套通舱管件本体端面裂纹较多的区域截取试样，沿裂纹将试样断开，观察其断口的微观形貌。由图2可见，断口整体呈沿晶断裂的形貌特征，部分区域晶粒表面呈熔融形貌。对沿晶断裂和熔融特征明显的区域进行能谱分析。由表3可见，断口处的氧含量极低，且含有一定量的铜、锌、锡等元素，其中沿晶断裂区域的铜含量较低，熔融特征明显区域主要含铜和锌元素，以及少量的铁、锡元素。

图2 将带铜衬套通舱管件沿裂纹断开后断口的微观形貌

表3 将带铜衬套通舱管件沿裂纹断开后断口不同区域的能谱分析结果

1.5 金相检验

裂纹沿带铜衬套通舱管件本体端面圆心向四周呈放射状分布。由图3可见：带铜套通舱管件本体表面裂纹内存在黄色物质；管件本体的显微组织为铁素体+珠光体组织，裂纹沿晶界扩展。对裂纹内黄色物质进行能谱分析，结果见表4，可见其主要成分为铜，质量分数约为60%，锌质量分数约为30%。

图3 带铜衬套通舱管件本体表面裂纹处的显微组织形貌

表4 带铜衬套通舱管件本体表面裂纹内黄色物质的能谱分析结果

2 分析与讨论

带铜衬套通舱管件本体的化学成分符合GB/T 3077-1999标准对20Cr钢的技术要求。管件本体的屈服强度、抗拉强度均低于标准要求，伸长率和断面收缩率符合标准要求，拉伸性能不合格。

带铜衬套通舱管件本体端面存在多条细小裂纹，裂纹沿管件端面圆心向周围呈放射状分布。将管件沿裂纹断开后，其断口整体呈沿晶断裂特征，部分区域晶粒表面呈熔融特征形貌，局部区域表面可见一层覆盖物，断口处氧含量极低，且含有一定量的铜、锌、锡等元素。金相检验结果表明：管件本体的显微组织为铁素体+珠光体组织，这与调质处理后的显微组织不符；裂纹均沿晶界扩展，裂纹内存在黄色物质，其主要化学成分为铜、锌、铁、锡，这与焊接材料S221锡黄铜的主要化学成分基本一致。

焊接是在温度较高的含氧环境中进行的，断口未发现明显氧化特征，能谱分析也未发现较高含量的氧元素，因此排除裂纹是在焊接前产生的。有研究表明，在一定的温度和拉应力作用下，低熔点金属容易从零件表面沿晶界进入材料内部，使材料脆化，形成裂纹，进而导致零件失效，这种类型的开裂被称为液态金属致脆开裂[2]。一般认为，当零件实际温度达到低熔点金属熔点的2/3或1/2时，在拉应力作用下，低熔点金属即会沿晶界渗入金属内部致使材料脆化而逐渐形成裂纹。低熔点金属受热液化时，若与固体金属表面直接接触，在拉应力作用下会在固体金属表面起裂，裂纹尖端吸附低熔点金属液态原子，进一步降低固体金属的晶体结合强度，导致裂纹沿晶界扩展。

S221锡黄铜为低熔点金属，若焊接工艺控制不当，焊材金属与管件本体接触时极易产生液态金属致脆开裂现象，管件本体的异常显微组织对低熔点金属沿晶界扩散有促进作用。

综上所述，带铜衬套通舱管件开裂的类型属于液态金属致脆开裂。在焊接过程中，低熔点金属S221锡黄铜从管件本体端面沿晶界进入材料内部，导致材料脆化，形成裂纹。

3 结论及建议

(1)带铜衬套通舱管件开裂模式为液态金属致脆开裂。在焊接过程中，S221锡黄铜中的低熔点金属从管件本体端面沿晶界进入材料内部，导致材料脆化，形成裂纹，管件本体的异常显微组织对低熔点金属沿晶界扩散有促进作用。

(2)建议严格控制管件本体的热处理工艺及显微组织，通过预热、控制焊接温度等措施缩短管件在高温环境中的停留时间。经验证，控制管件本体组织为回火索氏体，焊接前，管件经300 ℃预热，焊接过程中温度保持在300～350 ℃，管件本体未发生开裂。