孔德群　楊利　周建　周曉煒　王志勇

摘要：從斷口分析、金相檢驗、化學(xué)分析等方面分析低碳鋼油管斷裂性質(zhì)及其產(chǎn)生原因。油管與支架通過銅釬焊的方式連接在一起，由于釬焊溫度控制不良，連接處的油管表面發(fā)生銅原子沿低碳鋼晶界的偏聚與擴(kuò)散，降低了其塑性與強(qiáng)度;另一方面，焊后冷速控制不良，導(dǎo)致焊縫附近的油管內(nèi)部產(chǎn)生魏氏體鐵素體。平臺試驗中油管釬焊區(qū)域承受較大的循環(huán)應(yīng)力，焊縫外表面機(jī)械損傷處由于應(yīng)力集中效應(yīng)，在局部高應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞裂紋源，裂紋向油管擴(kuò)展并導(dǎo)致服役早期開裂失效。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動機(jī);油管;焊后冷卻速度;銅釬焊;應(yīng)力集中;疲勞斷裂

中圖分類號：TG454文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-2303（2020）05-0037-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.07

0 前言

焊接是現(xiàn)代汽車制造業(yè)中廣泛應(yīng)用的一種連接方法[1-2]。釬焊是指采用熔點(diǎn)比母材低的金屬作為釬料，利用加熱熔化的液態(tài)釬料與固態(tài)母材界面產(chǎn)生溶解、擴(kuò)散或形成金屬間化合物的相互作用，冷卻凝固形成牢固的接頭，從而將母材連接在一起的焊接方式[3]。它具有生產(chǎn)量大、高速低耗、焊接變形小、易操作的特點(diǎn)，適合汽車零部件的連接[4-6]，如全景天窗[7]、行李箱[8]、車身骨架[9]等白車身結(jié)構(gòu)件及薄板覆蓋件[1，4，6，10]，以及熱交換器[11]等。在實際生產(chǎn)中，焊接參數(shù)的細(xì)微變化都可能影響釬焊的焊接質(zhì)量[12-13]，所以要重視焊接質(zhì)量的優(yōu)化與控制。

汽車發(fā)動機(jī)油管開裂的原因多種多樣，其原材料加工、生產(chǎn)制造、產(chǎn)品裝配、服役使用中的任何一個環(huán)節(jié)質(zhì)量控制不當(dāng)，都可能會造成其開裂失效，例如內(nèi)表面與外表面缺陷[14]、支架倒角處的應(yīng)力集中[15]、高周疲勞開裂引起穿孔[16]等。文中研究了發(fā)動機(jī)油管在某平臺試驗中的疲勞斷裂及其失效原因，協(xié)助客戶從材料加工工藝與質(zhì)量控制上提出針對性的改進(jìn)措施，以期防止類似問題重復(fù)發(fā)生。

1 試驗過程

試驗采用某汽車零部件供應(yīng)商生產(chǎn)的某型號發(fā)動機(jī)油管，材質(zhì)為低碳鋼Q235B，通過自動產(chǎn)線爐中釬焊工藝與低碳鋼支架連接在一起（銅釬料純度為99.95%），隨后進(jìn)行表面鍍鋅處理。在某平臺試驗時，該油管及其支架處于機(jī)械振動引起的循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)，試驗結(jié)束后發(fā)現(xiàn)油管發(fā)生宏觀斷裂，裂紋位于釬焊區(qū)域。

使用Keyence VHX-1000型體視學(xué)顯微鏡和Quanta FEG650型掃描電鏡進(jìn)行斷口分析;在油管斷裂位置附近的釬焊區(qū)域中間位置分別切取縱剖面與橫截面的金相試樣，進(jìn)行磨拋處理，4%硝酸酒精腐蝕前后分別使用Zeiss Axio Imager M2m型顯微鏡進(jìn)行觀察，并拍照分析。油管經(jīng)機(jī)械壓力壓平后磨去鍍鋅層，使用Spectro MaXx型直讀式光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分檢測。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 斷口觀察

油管斷裂位置在釬焊焊縫邊緣，斷口附近未見明顯的塑性變形、腐蝕及機(jī)械損傷痕跡。采用體視學(xué)顯微鏡觀察斷口宏觀形貌特征（見圖1），發(fā)現(xiàn)斷口較為平齊，斷面有金屬光澤，未見宏觀材料缺陷;裂紋源區(qū)（箭頭指示處）位于焊縫邊緣外表面，擴(kuò)展區(qū)呈放射狀。裂紋源區(qū)宏觀形貌如圖2所示。

采用掃描電鏡觀察斷口的微觀形貌特征，斷面未見異常夾雜物等缺陷，裂紋源區(qū)（見圖3）及擴(kuò)展區(qū)（見圖4）均呈局部磨損狀態(tài)，可見明顯的疲勞條帶形貌。疲勞條帶間距較?。ㄆ骄g距小于1 μm），具有高周疲勞的特征。

2.2 化學(xué)成分

光譜分析結(jié)果顯示，油管的化學(xué)成分如表1所示，符合低碳鋼板Q235B的材料規(guī)范要求（GB/T 5213-2008）。

2.3 金相檢驗

金相檢驗結(jié)果顯示，焊縫及其附近金相組織為均勻的等軸鐵素體+少量珠光體，在熱影響區(qū)的油管壁厚中間部位發(fā)現(xiàn)粗大的針狀魏氏體鐵素體，如圖5所示。魏氏體是一種過熱缺陷組織，通常伴隨奧氏體粗晶組織出現(xiàn)[17]。緊鄰焊縫熔合區(qū)界面的局部熱影響區(qū)在較高于Ac3溫度時會快速產(chǎn)生粗晶奧氏體[18]，Q235B鋼管中先共析鐵素體從原奧氏體晶界沿一定的晶面往晶內(nèi)生長，鋼管壁厚中部位置局部析出針狀魏氏體鐵素體組織。而魏氏體組織則會使鋼的力學(xué)性能尤其是韌性顯著降低[17]，應(yīng)制定合理的熱處理工藝來消除。

焊縫處的銅/鋼界面處存在銅釬料對母材的嚴(yán)重熔蝕現(xiàn)象，即銅釬料在高溫下以晶界擴(kuò)散的方式進(jìn)入兩側(cè)的鋼管母材與鋼板母材，沿晶界析出有銅相，如圖6所示。晶界上析出的網(wǎng)狀第二相會破壞基體材料的連續(xù)性，易引起材料的脆性，且嚴(yán)重降低材料的疲勞強(qiáng)度，促進(jìn)裂紋源的形成。進(jìn)一步觀察圖5焊縫中部的鋼管與支架之間無銅釬料，焊縫兩側(cè)母材已發(fā)生重結(jié)晶而熔合為一體（見圖7），二者之間的縫隙基本消失。這說明釬焊工藝溫度控制不良，以致實際焊接溫度遠(yuǎn)超過工藝范圍。

選擇另一個在焊縫邊緣有微裂紋的鋼管，從焊縫沿油管圓周的中線處制取縱剖面金相試樣，拋光態(tài)試樣置于顯微鏡下可見一條裂紋，如圖8所示，裂紋起源于焊縫區(qū)域的一側(cè)，且裂紋由油管的外側(cè)向內(nèi)側(cè)擴(kuò)展延伸。這與圖1所示失效油管的斷口觀察結(jié)果一致。

高倍顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)（見圖9），裂紋源位置在釬焊之后且鍍鋅處理之前存在一處機(jī)械損傷，鍍鋅處理后鋅層覆蓋于損傷處。雖然表面損傷被鍍鋅層彌合，但仍處于材料不連續(xù)狀態(tài)，當(dāng)油管處于發(fā)動機(jī)測試的循環(huán)振動環(huán)境中形成應(yīng)力集中效應(yīng)。該位置產(chǎn)生局部高應(yīng)力，逐漸萌生疲勞裂紋，并沿銅釬焊縫向油管一側(cè)擴(kuò)展。由于工藝不良導(dǎo)致的銅釬料沿晶界熔蝕從而降低材料性能，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至銅/鋼界面時，裂紋沿油管最表層晶粒的界面繼續(xù)向油管內(nèi)側(cè)擴(kuò)展。當(dāng)擴(kuò)展到油管壁厚中部時，鐵素體魏氏體組織也會引起力學(xué)性能下降，因而裂紋可以輕易地在油管擴(kuò)展，直至油管在服役早期發(fā)生疲勞斷裂。

3 結(jié)論

文中探究了低碳鋼油管斷裂的性質(zhì)及其產(chǎn)生原因，主要形成以下結(jié)論：

（1）油管疲勞裂紋源的形成主要與焊縫表面的機(jī)械損傷有關(guān)。應(yīng)加強(qiáng)過程質(zhì)量控制，避免由于生產(chǎn)上抓取工具或物流轉(zhuǎn)運(yùn)不當(dāng)可能造成的機(jī)械損傷。

（2）釬焊溫度及隨后冷卻速度控制不良，導(dǎo)致油管表面發(fā)生銅原子在低碳鋼晶界處的熔合與偏聚，鋼管內(nèi)部產(chǎn)生魏氏體鐵素體，降低了油管的力學(xué)性能。應(yīng)加強(qiáng)工藝優(yōu)化調(diào)整，避免釬焊晶界熔蝕與魏氏體鐵素體的產(chǎn)生。

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