不锈钢钢管焊缝附近部位开裂原因.pdf

32PTCA(PARTAPHYS.TEST.)2023年第59 卷81理化检验-物理分册质量控制与失效分析D0I:10.11973/hjy-wl202308008不锈钢钢管焊缝附近部位开裂原因冯红兵，赵浩飞，戎志冕，李坤洋，建占一（宇通客车股份有限公司，郑州450 0 6 1）摘要：汽车底盘用排气管、冷却水管等不锈钢钢管焊缝附近发生开裂现象，采用宏观观察、化学成分分析、金相检验等方法对其开裂原因进行了分析。结果表明：相比0 6 Cr19Ni10不锈钢，1Cr14Mn10Nil不锈钢的钢管焊缝附近更容易析出Cr23Cs碳化物，并出现局部贫Cr，贫Cr区域沿着晶界发生腐蚀开裂。关键词：不锈钢钢管；焊缝；局部贫Cr；开裂中图分类号：TB31；T G 1 1 5.2文献标志码：B文章编号：1 0 0 1-40 1 2（2 0 2 3)0 8-0 0 3 2-0 5Causes of crackinnear weld of stainless steel pipeFENG Hongbing,ZHAO Haofei,RONG Zhimian,LI Kunyang,JIAN Zhanyi(Yutong Bus Co.,Ltd.,Zhengzhou 450061,China)Abstract:Cracking often occurred near the weld of stainless steel pipes such as exhaust pipes and coolingwater pipes for automobile chassis.The causes of cracking were analyzed by means of macroscopic observation,chemical composition analysis and metallographic examination.The results show that compared with 06Cr19Ni10stainless steel,Crz3 Cs carbides were more likely to precipitate near the weld of steel pipe of 1Crl4Mnl0Nil stainlesssteel,and local Cr-poor areas appeared,and corrosion cracking occurred along the grain boundary in Cr-poor areas.Keywords:stainless steel pipe;welding seam;locally poor Cr;cracking1理化检验1.1宏观观察汽车底盘用排气管、冷却水不锈钢钢管等在出厂运行1 2 a后，焊缝附近部位经常发生开裂现象，开裂部位距离焊缝边缘3 1 0 mm。不锈钢钢管焊缝附近开裂部位宏观形貌如图1 所示，由图1可知：排气管断口处无塑性变形，断口粗糙，未见疲劳源和疲劳扩展痕迹。开裂的不锈钢钢管材料为1Cr14Mn10Nil钢。1.2化学成分分析对开裂的排气管和冷却水管进行化学成分分析，结果如表1 所示，由表1 可知：开裂不锈钢钢管的化学成分均符合技术要求。1.3金相检验分别在开裂的排气管和冷却水管焊缝裂纹附近收稿日期：2 0 2 3-0 5-2 0作者简介：冯红兵（1 9 8 5一），男，本科，工程师，主要从事金属材料理化检验与分析工作，fhb_取样，用王水腐蚀试样后，将其置于光学显微镜下观察，结果如图2 所示。由图2 可知：裂纹附近均出现了明显的沿着晶界的黑色腐蚀产物和开裂现象。1.4腐蚀试验验证从1 Cr14Mn10Nil和0 6 Cr19Ni10两种不锈钢材料焊接的钢管焊缝附近取样，两种材料规格分别为7 5mmX1.5mm（外径壁厚)、8 9 mm1.5mm(外径X壁厚），用王水腐蚀后，将其置于光学显微镜下观察，结果如图3 所示。由图3 可知：焊缝附近均未发现沿着晶界的黑色腐蚀产物和开裂现象。将1 Cr14Mn10Nil和0 6 Cr19Ni10两种不锈钢材料焊接钢管放置在中性盐雾试验箱中，5个月后取出焊接钢管，其宏观形貌如图4所示。由图4可知：1 Cr14Mn10Ni1不锈钢钢管焊缝附近存在开裂现象，将开裂部位打开，断口处无塑性变形，断口粗糙，未见疲劳源和疲劳扩展痕迹；0 6 Cr19Ni10不锈钢钢管焊缝附近未发生开裂。33冯红兵焊缝附近部位开裂原因理化检验-物理分册焊缝焊缝附近开裂a）排气管整体形貌b）排气管断口形貌1焊缝附近开裂焊缝焊缝c）排气管断口形貌2d）冷却水管整体形貌图1 不锈钢钢管焊缝附近开裂部位宏观形貌表1 开裂不锈钢钢管的化学成分分析结果%质量分数项目CSiMnPSCrNi开裂的排气管实测值0.150.5410.180.0380.00413.681.29开裂的冷却水管实测值0.100.519.610.0280.00313.831.37技术要求0.151.009.512.00.0550.02513.0015.000.701.50100m100uma)排气管b)冷却水管图2 开裂部位显微组织形貌100um100uma）1 Cr 1 4M n 1 0 N i 1 不锈钢钢管b）0 6 Cr 1 9 N i 1 0 不锈钢钢管图3 腐蚀试验试样焊缝附近的显微组织形貌34冯红兵不锈钢钢管焊缝附近部位开裂原因理化检验-物理分册从上述两件经过中性盐雾试验的1Cr14Mn10Nil和0 6 Cr19Ni10不锈钢钢管焊缝附近取样，用王水腐蚀后，将其置于光学显微镜下观察，结果如图5所示。由图5可知：1 Cr14Mn10Nil不锈钢钢管裂口附近出现沿着晶界的黑色腐蚀产物，0 6 Cr19Ni10不锈钢钢管焊缝附近未出现沿着晶界的黑色腐蚀产物。焊缝焊缝焊缝附近开裂a）1 Cr 1 4M n 1 0 N i 1 不锈钢钢管b）1 Cr 1 4M n 1 0 N i 1 不锈钢钢管断口c）0 6 Cr 1 9 N i 1 0 不锈钢钢管焊缝处图4中性盐雾试验后不锈钢钢管宏观形貌100um100uma）1 Cr 1 4M n 1 0 N i 1 不锈钢钢管裂口附近b)06Cr19Ni10不锈钢钢管焊缝附近图5中性盐雾试验后不锈钢钢管焊缝附近显微组织形貌1.5局部贫Cr程度对比用体积分数为6%的FeCl3溶液对1Cr14Mn10Nil不锈钢和0 6 Cr19Ni10不锈钢焊接钢管进行腐蚀，焊缝附近局部贫Cr程度不同，导致其耐腐蚀程度差异明显，因此也可以用该方法直观、快速地鉴别焊缝附近局部贫Cr的程度。分别采用4种不同的焊接工艺对2 种规格的1Cr14Mn10Nil不锈钢钢管进行焊接，经过2 4h的体积分数为6%的FeCl3溶液腐蚀后，焊缝附近3 5mm区域均已经断开。2 种规格0 6 Cr19Ni10不锈钢钢管分别采用了4种不同的焊接工艺，即使经过72h的体积分数为6%的FeCl3溶液腐蚀，焊缝两侧仅出现轻微的点状腐蚀，结果如表2 所示。6%(体积分数)FeCl3溶液腐蚀后不锈钢钢管焊缝附近宏观形貌如图6 所示。2综合分析奥氏体不锈钢含有少量的碳元素，其与铬元素形成碳化物Cr23Cs，当加热到高温时，碳化物溶解于相中，温度越高，碳化物溶解得越多，再用急速冷却的方法将这种状态保存到室温，形成过饱和固溶体（固溶处理）。在缓慢冷却的过程中，为了保持平衡，碳化物会从固溶体中析出。过饱和固溶体是不稳定的，在低温（40 0 8 50）下再加热时，碳化物会沉淀出来（敏化处理）。碳化物通常是优先沿晶粒间界析出的，这种变化使奥氏体不锈钢产生了晶间腐蚀趋向。在焊接时，靠近焊缝处的温度也会高达4008 50,因此，奥氏体不锈钢材料的焊接结构都有受晶间腐蚀而发生破坏的可能1，敏化处理时，碳元素向晶粒间界的扩散速率比铬元素大，Cr23C。在晶粒间界发生沉淀，在晶粒间界及其临近区域的铬元素发生贫乏现象。当铬元素含量降低到钝化所需的铬元素含量极限值以下时，构成了微电池，加速了沿晶粒间界的腐蚀。奥氏体不锈钢焊接接头在焊接后的快速冷却时，在奥氏体组织中呈现过饱和状态的碳，一旦遇到4008 50 的加热温度及适当的保留时间，晶内铬原子的扩散速率比碳原子小，铬原子来不及向晶界扩散，导致晶界附近铬含量大幅度降低，形成贫铬区，材料的耐腐蚀性降低,进而引发晶间腐蚀 2 35冯红兵，等：不锈钢钢管焊缝附近部位开裂原因理化检验-物理分册表2 体积分数为6%的FeCl，溶液腐蚀后不锈钢钢管验证试验结果钢管规格（外径腐蚀后不锈钢钢管焊缝附近变化材料焊接工艺焊缝类型壁厚)/mm24 h48h72 h钢管端部对接焊缝两侧约5mm处已50X1.0手工氩弧焊A未继续试验未继续试验圆周焊缝完全断裂 见图6 a)钢管端部对接焊缝两侧约5mm处已60X1.5手工氩弧焊B未继续试验未继续试验1Cr14Mn10Nil圆周焊缝完全断裂 图6 b)不锈钢钢管纵向对接焊缝两侧约3 mm处已50X1.0自动氩弧焊C未继续试验未继续试验直焊缝完全断裂 见图6 c】钢管纵向对接焊缝两侧约3 mm处已60X1.5自动氩弧焊D未继续试验未继续试验直焊缝完全断裂 见图6 d钢管端部对接焊缝两侧极轻微点状50X1.0手工氩弧焊A未出现腐蚀焊缝两侧极轻微点状腐蚀圆周焊缝腐蚀 见图6 e钢管端部对接焊缝两侧极轻微点状60X1.5手工氩弧焊B未出现腐蚀焊缝两侧极轻微点状腐蚀06Cr19Ni10圆周焊缝腐蚀 见图6 f不锈钢钢管纵向对接焊缝两侧轻微点状50X1.0自动氩弧焊C未出现腐蚀焊缝两侧极轻微点状腐蚀直焊缝腐蚀 见图 6 g)钢管纵向对接焊缝极轻微点状60X1.5自动氩弧焊D未出现腐蚀未出现腐蚀直焊缝腐蚀 见图6 h1Cr14Mn10Nil和0 6 Cr19Ni10均属于奥氏体型不锈钢材料。1 Cr14Mn10Ni1不锈钢中的碳元素质量分数上限为0.1 5%，铬元素质量分数下限为13.00%；0 6 Cr 1 9 N i 1 0 不锈钢材料的碳元素质量分数上限为0.0 8%，铬元素质量分数下限为1 8.0 0%。1Cr14Mn10Nil不锈钢碳含量较高，更容易形成Cr23C。碳化物，同时铬元素质量分数较低，“局部贫Cr”区域的铬元素质量分数更容易低于钝化所需的铬元素质量分数的极限值；不同规格的1Cr14Mn10Nil及0 6 Cr19Ni10不锈钢钢管采用不同的焊接工艺，经6%（体积分数)的FeCl溶液腐蚀后，1 Cr14Mn10Ni1不锈钢钢管焊缝附近断裂倾向严重，也进一步得到了试验的验证。1Cr14Mn10Nil焊管经5个月长周期中性盐雾腐蚀后，焊缝附近出现开裂现象，常见的发生焊缝附近开裂的都是1 Cr14Mn10Ni1不锈钢钢管，裂缝附近晶粒间界出现的黑色腐蚀产物是“局部贫Cr”所构成大阴极-小阳极的微电池导致的晶间腐蚀。06Cr19Ni10不锈钢钢管焊缝附近几乎没有开裂，说明1 Cr14Mn10Nil焊管更容易出现晶间腐蚀，是开裂失效的主要原因。预防和控制不锈钢焊接件晶间腐蚀的措施主要有：采用低碳不锈钢材料、进行焊后热处理、加入强碳化物等。受汽车底盘用排气管、冷却水管等不锈钢钢管设计结构、成本、制造能力等综合因素的限制，难以进行焊后热处理。加入钛和锯元素的强碳化物焊接接头受到焊接热循环的作用，在过热区发生了 TiC 和 NbC 的溶解,这时的稳定剂 Ti、N b 元素已经失去了稳定碳元素的作用，如果该接头被再次加热到40 0 8 50 或其在这个温度下工作，就有出现刀状腐蚀的危险 3 ,且材料成本较高。建议采用0 6 Cr19Ni10等低碳甚至超低碳不锈钢材料。3结论（1）1 Cr 1 4M n 1 0 N i 1 不锈钢材料排气管、冷却水管在焊接过程中，晶界附近容易析出Cr23C。碳化物，从而导致焊缝附近出现“局部贫Cr”区域，构成大阴极-小阳极的微电池，形成晶间腐蚀，导致焊缝附近局部的材料性能恶化，甚至出现早期断裂。(2）采用6%（体积分数）的FeCl3溶液对不锈钢焊接试样进行腐蚀，可以鉴别焊缝附近“贫Cr”的区域和程度。（3）采用0 6 Cr19Ni10等低碳不锈钢材料可有效抑制钢管焊缝附近出现晶间腐蚀。36冯红兵不锈钢钢管焊缝附近部位开裂原因理化检验-物理分册焊缝附近开裂焊缝焊缝焊缝附近开裂焊缝a）1 C r 1 4M n 1 0 N i1 不锈钢钢管宏观形貌1b）1 C r 1 4M n 1 0 N i1 不锈钢钢管宏观形貌2焊缝c）1 Cr 1 4M n 1 0 N i 1 不锈钢钢管宏观形貌3d）1 C r 1 4M n 1 0 N i1 不锈钢钢管宏观形貌4焊缝焊缝焊缝焊缝e）0 6 Cr 1 9 N i 1 0 不锈钢钢管宏观形貌1f)06Cr19Ni10不锈钢钢管宏观形貌2焊缝焊缝g)06Cr19Ni10不锈钢钢管宏观形貌3h）0 6 Cr 1 9 N i 1 0 不锈钢钢管宏观形貌4图66%（体积分数）FeCls溶液腐蚀后不锈钢钢管焊缝附近宏观形貌参考文献：1肖纪美.不锈钢的金属学问题 MI.北京：冶金工业出版社，1 9 8 3.2曹龙韬，龚兰芳，陈智江.3 0 4奥氏体不锈钢管焊接接头开裂原因 J.理化检验（物理分册），2 0 2 1，57（5）：76-79.3于启湛，丁成钢，史春元.不锈钢的焊接 M.北京：机械工业出版社，2 0 0 9.