焊接芯軸失效分析PPT課件

1、焊接芯軸斷裂失效分析焊接芯軸斷裂失效分析中國(guó)石油大學(xué)（華東）中國(guó)石油大學(xué)（華東）預(yù)防措施預(yù)防措施失效分析失效分析過(guò)程過(guò)程背景背景資料資料第1頁(yè)/共19頁(yè)焊接芯軸斷裂失效分析焊接芯軸斷裂失效分析中國(guó)石油大學(xué)（華東）中國(guó)石油大學(xué)（華東）背景資料背景資料 某公司送來(lái)斷裂失效芯軸樣品，據(jù)該公某公司送來(lái)斷裂失效芯軸樣品，據(jù)該公司相關(guān)人員介紹斷裂失效發(fā)生在焊縫位置。司相關(guān)人員介紹斷裂失效發(fā)生在焊縫位置。伸縮式套筒液壓缸焊接芯軸，柱塞材料為伸縮式套筒液壓缸焊接芯軸，柱塞材料為27SiMn27SiMn，芯軸材料為，芯軸材料為20#20#鋼。鋼。第2頁(yè)/共19頁(yè)焊接芯軸斷裂失效分析焊接芯軸斷裂失效分析中國(guó)石油大

2、學(xué)（華東）中國(guó)石油大學(xué)（華東）1. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析2. 選材（兩種基體和焊材）分析選材（兩種基體和焊材）分析3. 焊接缺陷分析焊接缺陷分析4. 焊接安裝、使用分析焊接安裝、使用分析失效分析過(guò)程失效分析過(guò)程第3頁(yè)/共19頁(yè)焊接芯軸斷裂失效分析焊接芯軸斷裂失效分析中國(guó)石油大學(xué)（華東）中國(guó)石油大學(xué)（華東）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析芯軸與套筒連芯軸與套筒連接部位較小，接部位較小，承受載荷的能承受載荷的能力較差，容易力較差，容易引起應(yīng)力集中引起應(yīng)力集中。第4頁(yè)/共19頁(yè)焊接芯軸斷裂失效分析焊接芯軸斷裂失效分析中國(guó)石油大學(xué)（華東）中國(guó)石油大學(xué)（華東）選材（兩種基體和焊材）分析選材（兩種基體和焊材）

3、分析采用采用HVS-10ZCHVS-10ZC型硬度計(jì)對(duì)送檢樣品進(jìn)行硬度測(cè)試。型硬度計(jì)對(duì)送檢樣品進(jìn)行硬度測(cè)試。采用采用GP1000GP1000光譜分析儀器對(duì)送檢的原材料進(jìn)行化學(xué)成分分析。光譜分析儀器對(duì)送檢的原材料進(jìn)行化學(xué)成分分析。試樣試樣CSiMnPSCrNiCu20#鋼鋼保證值0.170.240.170.370.350.650.0350.0350.250.250.25測(cè)量值0.4780.2380.720.0160.0130.0640.4%0.51%0.4%，鋼材的淬硬性越，鋼材的淬硬性越大，熱影響區(qū)越容易產(chǎn)生裂紋大，熱影響區(qū)越容易產(chǎn)生裂紋, ,屬焊接性較差的鋼種。要確屬焊接性較差的鋼種。要確保

4、獲得良好的焊接質(zhì)量，必須采取焊前預(yù)熱、焊后后熱等保獲得良好的焊接質(zhì)量，必須采取焊前預(yù)熱、焊后后熱等工藝。工藝。套筒材料為套筒材料為27SiMn鋼鋼第7頁(yè)/共19頁(yè)焊接芯軸斷裂失效分析焊接芯軸斷裂失效分析中國(guó)石油大學(xué)（華東）中國(guó)石油大學(xué)（華東）選材（兩種基體和焊材）分析選材（兩種基體和焊材）分析試驗(yàn)項(xiàng)目試驗(yàn)項(xiàng)目b（MPa）s（MPa）A（%）Z Z20#20#鋼鋼370-520215272427SiMn27SiMn9808354012表表2 20#2 20#鋼和鋼和27SiMn27SiMn的力學(xué)性能的力學(xué)性能 通過(guò)表通過(guò)表2 2對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種鋼的機(jī)械性能差異較大，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種鋼的機(jī)械性能差異較

5、大，在實(shí)際焊接中，應(yīng)采用在實(shí)際焊接中，應(yīng)采用低強(qiáng)匹配低強(qiáng)匹配的原則：的原則： 低強(qiáng)匹配由于其焊縫金屬塑性、韌性好低強(qiáng)匹配由于其焊縫金屬塑性、韌性好, , 彈性模彈性模量小量小, , 降低接頭的拘束應(yīng)力而減輕熔合區(qū)附近的負(fù)荷降低接頭的拘束應(yīng)力而減輕熔合區(qū)附近的負(fù)荷, , 從而降低熔合區(qū)附近的裂紋敏感性從而降低熔合區(qū)附近的裂紋敏感性 。第8頁(yè)/共19頁(yè)焊接芯軸斷裂失效分析焊接芯軸斷裂失效分析中國(guó)石油大學(xué)（華東）中國(guó)石油大學(xué)（華東）選材（兩種基體和焊材）分析選材（兩種基體和焊材）分析化學(xué)成分化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)C0.1%Si0.57%Mn1.26%S0.011%P0.014表表3 直徑為直徑為1

6、.2、JM58焊絲的化學(xué)成分焊絲的化學(xué)成分 該焊接選擇的是該焊接選擇的是CO CO 2 2氣體保氣體保護(hù)焊，護(hù)焊，CO CO 2 2氣體保護(hù)焊焊接時(shí)，氣體保護(hù)焊焊接時(shí)，由于焊接氣體具有很高的氧化性，由于焊接氣體具有很高的氧化性，在焊絲中必須加入較高的硅和錳在焊絲中必須加入較高的硅和錳等脫氧元素。等脫氧元素。JM-58JM-58焊絲除具有焊絲除具有硅和錳等適量合金元素外，還添硅和錳等適量合金元素外，還添加了加了TiTi元素，由于元素，由于TiTi元素的添加元素的添加可以使焊絲的球狀熔滴細(xì)化，具可以使焊絲的球狀熔滴細(xì)化，具有穩(wěn)定電弧的功效，而有穩(wěn)定電弧的功效，而TiTi還有使還有使焊道晶粒細(xì)化的作

7、用，能增強(qiáng)焊焊道晶粒細(xì)化的作用，能增強(qiáng)焊道的強(qiáng)度及沖擊值。道的強(qiáng)度及沖擊值。第9頁(yè)/共19頁(yè)焊接芯軸斷裂失效分析焊接芯軸斷裂失效分析中國(guó)石油大學(xué)（華東）中國(guó)石油大學(xué)（華東）焊接缺陷分析焊接缺陷分析（1）選擇合適的樣品用于確）選擇合適的樣品用于確定裂紋源定裂紋源在樣品選擇中，需要比較斷裂在樣品選擇中，需要比較斷裂部位和類(lèi)似的但未斷裂的部件，部位和類(lèi)似的但未斷裂的部件，以便確定斷裂是工作條件引發(fā)的以便確定斷裂是工作條件引發(fā)的，還是加工誤差造成的。有時(shí)也，還是加工誤差造成的。有時(shí)也需要將損壞區(qū)域的材料與遠(yuǎn)離損需要將損壞區(qū)域的材料與遠(yuǎn)離損壞區(qū)域的材料做比較分析。如果壞區(qū)域的材料做比較分析。如果主裂紋形

8、成斷口承受了嚴(yán)重的機(jī)主裂紋形成斷口承受了嚴(yán)重的機(jī)械擦傷或化學(xué)腐蝕，可以選取二械擦傷或化學(xué)腐蝕，可以選取二次裂紋所形成的斷口進(jìn)行間接的次裂紋所形成的斷口進(jìn)行間接的分析及研究。分析及研究。ABAB第10頁(yè)/共19頁(yè)焊接芯軸斷裂失效分析焊接芯軸斷裂失效分析中國(guó)石油大學(xué)（華東）中國(guó)石油大學(xué)（華東）焊接缺陷分析焊接缺陷分析（2 2）選擇、保存和清洗斷裂表面）選擇、保存和清洗斷裂表面 焊接結(jié)構(gòu)的斷裂是裂紋萌生和擴(kuò)展的過(guò)程，而裂紋的萌生與擴(kuò)焊接結(jié)構(gòu)的斷裂是裂紋萌生和擴(kuò)展的過(guò)程，而裂紋的萌生與擴(kuò)展都是按一定規(guī)律進(jìn)行的。斷裂失效分析主要內(nèi)容是確定裂紋源的展都是按一定規(guī)律進(jìn)行的。斷裂失效分析主要內(nèi)容是確定裂紋源的

9、位置與裂紋的擴(kuò)張方向并據(jù)此確定斷裂機(jī)制。位置與裂紋的擴(kuò)張方向并據(jù)此確定斷裂機(jī)制。（3 3）斷口分析）斷口分析 1 1）斷口宏觀分析）斷口宏觀分析：即用肉眼或放大鏡來(lái)識(shí)別失效類(lèi)型，通過(guò)：即用肉眼或放大鏡來(lái)識(shí)別失效類(lèi)型，通過(guò)斷口宏觀分析可以確定斷裂構(gòu)件的裂紋源位置；裂紋的擴(kuò)展方向；斷口宏觀分析可以確定斷裂構(gòu)件的裂紋源位置；裂紋的擴(kuò)展方向；斷裂類(lèi)型的判別；構(gòu)件所承受的應(yīng)力類(lèi)型；環(huán)境介質(zhì)對(duì)構(gòu)件斷裂的斷裂類(lèi)型的判別；構(gòu)件所承受的應(yīng)力類(lèi)型；環(huán)境介質(zhì)對(duì)構(gòu)件斷裂的影響等。影響等。 2 2）斷口顯微分析）斷口顯微分析：通過(guò)對(duì)斷口的微觀觀察，除可進(jìn)一步澄清：通過(guò)對(duì)斷口的微觀觀察，除可進(jìn)一步澄清斷裂的路徑、斷裂的性

10、質(zhì)、環(huán)境介質(zhì)對(duì)斷裂的影響之外，還可對(duì)斷斷裂的路徑、斷裂的性質(zhì)、環(huán)境介質(zhì)對(duì)斷裂的影響之外，還可對(duì)斷裂原因及斷裂機(jī)制作更進(jìn)一步的考察驗(yàn)證。裂原因及斷裂機(jī)制作更進(jìn)一步的考察驗(yàn)證。斷裂面經(jīng)丙酮超聲波清斷裂面經(jīng)丙酮超聲波清洗后，采用洗后，采用JXA-8800RJXA-8800R型型電子探針對(duì)斷口形貌進(jìn)行觀察。型型電子探針對(duì)斷口形貌進(jìn)行觀察。第11頁(yè)/共19頁(yè)焊接芯軸斷裂失效分析焊接芯軸斷裂失效分析中國(guó)石油大學(xué)（華東）中國(guó)石油大學(xué)（華東）焊接缺陷分析焊接缺陷分析（4 4）金相檢查）金相檢查 金相檢驗(yàn)的主要目的是檢驗(yàn)構(gòu)件有關(guān)材料的纖維組織和缺陷，金相檢驗(yàn)的主要目的是檢驗(yàn)構(gòu)件有關(guān)材料的纖維組織和缺陷，其具體內(nèi)

11、容包括晶粒的大小、組織形態(tài)、第二相粒子的大小與分布、其具體內(nèi)容包括晶粒的大小、組織形態(tài)、第二相粒子的大小與分布、晶界的變化、夾雜物的大小分布及形狀、疏松、裂紋、脫碳等缺陷。晶界的變化、夾雜物的大小分布及形狀、疏松、裂紋、脫碳等缺陷。不要忽略對(duì)晶界的檢驗(yàn)，觀察其是否有析出相、腐蝕及寬化現(xiàn)象存不要忽略對(duì)晶界的檢驗(yàn)，觀察其是否有析出相、腐蝕及寬化現(xiàn)象存在等。有時(shí)還需要檢查與斷口表面相垂直截面的金相組織。檢查裂在等。有時(shí)還需要檢查與斷口表面相垂直截面的金相組織。檢查裂紋時(shí)，裂紋尖端的金相組織可提供有價(jià)值的信息。紋時(shí)，裂紋尖端的金相組織可提供有價(jià)值的信息。 金相試樣制備是在金相砂紙上磨至金相試樣制備是在

12、金相砂紙上磨至20002000# #，然后拋光，洗凈后用，然后拋光，洗凈后用4%4%硝酸酒精溶液浸蝕，在硝酸酒精溶液浸蝕，在VHX-600KVHX-600K型超景深三維顯微系統(tǒng)下進(jìn)行組型超景深三維顯微系統(tǒng)下進(jìn)行組織和宏觀斷口形貌觀察?？椇秃暧^斷口形貌觀察。第12頁(yè)/共19頁(yè)焊接芯軸斷裂失效分析焊接芯軸斷裂失效分析中國(guó)石油大學(xué)（華東）中國(guó)石油大學(xué)（華東）焊接安裝、使用分析焊接安裝、使用分析焊接方法焊接方法 | | 焊接參數(shù)焊接參數(shù) 20# 20#鋼和鋼和27SiMn27SiMn的焊接屬于異種鋼焊接。異種的焊接屬于異種鋼焊接。異種鋼焊接時(shí)，為確保焊縫成分合理（保證塑性、韌性鋼焊接時(shí)，為確保焊縫成分

13、合理（保證塑性、韌性及抗裂性），必須做到：正確選擇提高合金化的焊及抗裂性），必須做到：正確選擇提高合金化的焊接材料；適當(dāng)控制融合比或稀釋率。接材料；適當(dāng)控制融合比或稀釋率。 異種金屬焊接時(shí)，焊縫金屬實(shí)際上是熔敷金屬異種金屬焊接時(shí)，焊縫金屬實(shí)際上是熔敷金屬與熔化的基體金屬混合在一起的合金?；w金屬與熔化的基體金屬混合在一起的合金?；w金屬（母材）溶入焊縫后使其合金元素比例發(fā)生變化，（母材）溶入焊縫后使其合金元素比例發(fā)生變化，焊縫中合金元素比例減小稱(chēng)為焊縫中合金元素比例減小稱(chēng)為“稀釋稀釋”，若比例增，若比例增加則稱(chēng)為加則稱(chēng)為“合金化合金化”。稀釋或合金化的程度取決于。稀釋或合金化的程度取決于融合比

14、，即基體金屬在焊縫中所占的百分比。融合比，即基體金屬在焊縫中所占的百分比。 對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，母材和焊縫中對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，母材和焊縫中CrCr、NiNi含量降低明含量降低明顯，即合金元素發(fā)生稀釋。顯，即合金元素發(fā)生稀釋。第13頁(yè)/共19頁(yè)焊接芯軸斷裂失效分析焊接芯軸斷裂失效分析中國(guó)石油大學(xué)（華東）中國(guó)石油大學(xué)（華東）焊接安裝、使用分析焊接安裝、使用分析焊接時(shí)線(xiàn)能量不易過(guò)高，否則將使熱影響區(qū)過(guò)焊接時(shí)線(xiàn)能量不易過(guò)高，否則將使熱影響區(qū)過(guò)寬，粗晶區(qū)擴(kuò)大，在成焊接接頭韌性下降。寬，粗晶區(qū)擴(kuò)大，在成焊接接頭韌性下降。1.21.2焊焊絲絲JM-58JM-58，焊接時(shí)適宜的焊接參數(shù)為，焊接時(shí)適宜的焊接參數(shù)為I=2353

15、00AI=235300A，U=2832VU=2832V，Q=1520I/minQ=1520I/min同時(shí)采用短路過(guò)渡焊接，減少合金元素的燒損，同時(shí)采用短路過(guò)渡焊接，減少合金元素的燒損，以保證焊接接頭的綜合機(jī)械性能。以保證焊接接頭的綜合機(jī)械性能?？偸撬?，選擇總是所述，選擇COCO2 2氣體保護(hù)焊是合理的。氣體保護(hù)焊是合理的。焊接方法焊接方法 | | 焊接參數(shù)焊接參數(shù)第14頁(yè)/共19頁(yè)焊接芯軸斷裂失效分析焊接芯軸斷裂失效分析中國(guó)石油大學(xué)（華東）中國(guó)石油大學(xué)（華東）焊接安裝、使用分析焊接安裝、使用分析焊接方法焊接方法 | | 焊接參數(shù)焊接參數(shù) 分析分析 ：焊縫表面凹凸不平，寬窄不勻。這種缺陷：焊縫

16、表面凹凸不平，寬窄不勻。這種缺陷雖然對(duì)靜載強(qiáng)度影響不大，但容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，對(duì)承雖然對(duì)靜載強(qiáng)度影響不大，但容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，對(duì)承受動(dòng)載不利。受動(dòng)載不利。 初步認(rèn)定為：焊工操作不當(dāng)；或焊接初步認(rèn)定為：焊工操作不當(dāng)；或焊接時(shí)時(shí)參數(shù)參數(shù)設(shè)置設(shè)置不不合適合適引起的引起的。第15頁(yè)/共19頁(yè)焊接芯軸斷裂失效分析焊接芯軸斷裂失效分析中國(guó)石油大學(xué)（華東）中國(guó)石油大學(xué)（華東）焊接安裝、使用分析焊接安裝、使用分析 芯軸套筒構(gòu)件工作時(shí)的負(fù)載包括正芯軸套筒構(gòu)件工作時(shí)的負(fù)載包括正應(yīng)力和切應(yīng)力，受力狀態(tài)復(fù)雜應(yīng)力和切應(yīng)力，受力狀態(tài)復(fù)雜。 實(shí)踐表明：即使低于屈服極限，這種交變應(yīng)力也會(huì)引起構(gòu)件的突然實(shí)踐表明：即使低于屈服極限

17、，這種交變應(yīng)力也會(huì)引起構(gòu)件的突然斷裂，且斷裂前無(wú)明顯的塑性變形。這種現(xiàn)象稱(chēng)為疲勞失效。疲勞失效斷裂，且斷裂前無(wú)明顯的塑性變形。這種現(xiàn)象稱(chēng)為疲勞失效。疲勞失效的原因是構(gòu)件尺寸突變或內(nèi)部缺陷部位的應(yīng)力集中誘發(fā)微裂紋；在交變的原因是構(gòu)件尺寸突變或內(nèi)部缺陷部位的應(yīng)力集中誘發(fā)微裂紋；在交變應(yīng)力的作用下，微裂紋不斷萌生、集結(jié)、形成宏觀裂紋并突然斷裂。應(yīng)力的作用下，微裂紋不斷萌生、集結(jié)、形成宏觀裂紋并突然斷裂。綜上所述：此處的斷裂有可能是交變應(yīng)力引起的疲勞失效。綜上所述：此處的斷裂有可能是交變應(yīng)力引起的疲勞失效。 隨著自卸車(chē)工作時(shí)液壓桿的伸縮，隨著自卸車(chē)工作時(shí)液壓桿的伸縮，芯軸套筒構(gòu)件的受力發(fā)生周期性變化，

18、芯軸套筒構(gòu)件的受力發(fā)生周期性變化，即：受到交變應(yīng)力的影響。交變應(yīng)力是即：受到交變應(yīng)力的影響。交變應(yīng)力是桿件上隨時(shí)間周期變化的應(yīng)力。交變應(yīng)桿件上隨時(shí)間周期變化的應(yīng)力。交變應(yīng)力作用下力作用下 的破壞稱(chēng)為疲勞破壞。的破壞稱(chēng)為疲勞破壞。第16頁(yè)/共19頁(yè)焊接芯軸斷裂失效分析焊接芯軸斷裂失效分析中國(guó)石油大學(xué)（華東）中國(guó)石油大學(xué)（華東）預(yù)防措施預(yù)防措施1 1、選材方面：嚴(yán)格控制使用材料的質(zhì)量，選材方面：嚴(yán)格控制使用材料的質(zhì)量， 例如例如20#20#鋼選用符合要求的鋼選用符合要求的。2 2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：斷裂發(fā)生在芯軸與套筒相連接的焊縫位置，、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：斷裂發(fā)生在芯軸與套筒相連接的焊縫位置， 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，強(qiáng)化焊縫的抗裂性能。優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)