焊接芯轴断裂失效分析Last revision on 21 December 2020
焊接芯轴断裂失效分析
一、背景资料
失效件断口形貌
某公司送来断裂失效芯轴样品，据该公司相关人员介绍断裂失效发生在焊缝位置。

送检断裂芯轴样品宏观形貌如图1和图2所示。

要求分析套筒与芯轴焊缝在使用过程中发生断裂的原因。

限于断裂后失效件的采集受限，厂方仅送检一半失效件（芯轴）；另外从已焊接完成而未断的实际产品上线切割制取了含完整焊缝的试样，如图3所示。

图1 送检样品宏观形貌图2 送检样品图1中的局部放大
（a）焊缝正面（b）含完整焊缝试样的侧面
图3 含完整焊缝的试样
失效件成分及性能
套筒材料为27SiMn钢，芯轴材料为20#钢，其化学成分以及力学性能由该公司提
表1 27SiMn钢的化学成分（质量分数）（%）
试验项
目
C Mn Si S P Cr Ni Cu
保证值
~ ~ ~
≤≤≤≤≤
表2 27SiMn钢的力学性能
试验项目σb（MPa）σs（MPa）A（%）Z
一般值980 835 40 12
表3 20#钢化学成分（质量分数）（%）
试验项目C Mn Si S P Cr Ni Cu
A
B
A
B
保证值
≤≤≤≤≤
~ ~ ~
表4 20#钢的力学性能
试验项目σb（MPa）σs（MPa）A（%）Z
一般值370-520 215 27 24
失效件的结构
套筒与芯轴的焊接结构如图所示，坡口形式见图。

焊接采用Φ焊丝JM-58，焊接时适宜的焊接参数为I=235~300A，U=28~32V，Q=15~20L/min。

图4 芯轴套筒焊接结构形式剖面图
二、断裂失效分析的思路[1]
1.现场基本情况调查，调查了解断裂失效件的有关情况和使用历史情况。

2.失效分析的初步判断，根据失效件的使用情况、工作环境、宏观特征等进行初步的判断，为后续的实验分析做准备。

3.建立具体的分析思路并实施工作程序，主要包括化学成分分析、力学性能分析、显微硬度分析、显微金相组织分析、断口分析等。

4.断裂失效机理综合分析阶段，根据基本分析结论的提示，研究断裂失效件的设计、生产和工作过程中与失效相关的内外因素以及失效机理。

5.排除断裂失效措施研究阶段，根据其产生的断裂失效机理，研究出切实、有效、可行的方案，减少或防止类似事故的再次发生。

三、现有资料分析
材料检验
利用GP1000光谱分析仪器对送检的完整焊缝及两边母材进行化学成分分析，测试结果见表5。

表5 送检样品焊缝及母材的化学成分测定结果(%)
试样 C Si Mn P S Cr Ni Cu 20#钢<
27SiMn
焊缝
通过对比表1、表3与表5可以明显发现：芯轴化学成分与厂方所提供的标准材质（20#钢）不符，标准材质的碳含量上限是,但是实际采用的材质碳含量高达，严重超标。

如此高的碳含量，严重恶化了焊接性，但厂家依然按照20#钢的焊接工艺进行焊接，是焊缝失效的重要原因；
碳当量法是一种粗略评价低合金钢冷裂纹敏感性的方法，由于焊接热影响区的淬硬及冷裂倾向于化学成分直接有关，所以可以用化学成分来评估冷裂纹敏感性的大小，进而初步判断材料的焊接性的好坏。

下面利用公式Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15计算可以得出20#的碳当量为,27SiMn的碳当量为，显然20#的焊接性相对于27SiMn差一些[2]。

结构设计
由图4芯轴套筒焊接结构形式剖面图可以发现，为了便于安装定位，芯轴采用过盈配合的轴肩设计。

安装的过程中，过盈配合会存在较大的安装应力。

另外在焊接过程中，轴肩位置也可能会产生未焊透，或者是12mm长的轴肩没有完全焊透，就会在未焊透的尖端产生应力集中。

上述两种情况都在不同程度上造成了后续使用过程中芯轴的断裂失效，因为应力集中位置，极易产生微裂纹，最终诱发焊接件的失效开裂。

为了有效的避免产生应力集中，我们可以采用专门的定位装置，从而取消定位轴肩结构。

为此，我建议采用车床上面的三抓卡盘进行定位，这样有效的避免了轴肩结构，从而减小了应力集中，极大地减轻了应力集中诱发产生的裂纹，具体的结构形式及装夹方式见图5。

图5 三抓卡盘式焊接定位装夹装置示意图
宏观组织分析
从送检的断裂失效件和厂家送检的完整焊缝上分别截取断口加工制备金相试样。

金相试样制备是在金相砂纸上磨至2000#，然后抛光，洗净后用4%硝酸酒精溶液浸蚀，在VHX-600K型超景深三维显微系统下进行组织和宏观断口形貌观察。

图6 焊缝宏观端口形貌
由图6可以明显发现，焊缝中存在大面积的未焊透，导致焊缝底部处于三向应力状态，产生较大的应力集中。

同时还可以发现，在焊缝中有气孔和夹杂物，这些焊接缺陷的存在严重削弱了焊缝的力学性能。

显微组织分析
送检的断裂失效件和厂家送检的完整焊缝上截取试样进行分析。

断裂面经丙酮超声波清洗后，采用JXA-8800R型电子探针对断口形貌进行观察。

图7 断口形貌图
由上图可以明显看出贝纹线，确定为疲劳断裂。

焊缝表层以及近母材位置的未焊透区域都可以发现疲劳源，疲劳源处由于不断的挤压、摩擦，照片上显示非常光亮。

此焊缝为多个疲劳源共存，但是启裂顺序需要进一步的验证。

可以通过硬度试验，确定最先启裂的位置。

四、下一步分析计划
金相分析
借助扫描电子显微镜确定多个裂纹源的具体位置和扩展路径。

分别在断裂源及扩展路径处，按照国家标准选取、制备、加工试样进行组织观察，最终确定裂纹的启裂位置。

硬度分析
取金相测试后的试样，采用HVS-10ZC型硬度计对送检样品进行硬度测试。

通过测量硬度，我们可以明显发现裂纹源。

同时通过对比不同裂纹源处的硬度值，可以确定出裂纹的启裂顺序。

X射线衍射
用X射线无损检测，明确该结构设计是否会引起未焊透，判别焊接工艺参数选取是否合理，焊接是否存在不当操作。

五、断裂失效原因综合分析
焊接芯轴的断裂失效是由于各方面的综合作用最终造成的，下面就几个方面说明断裂失效的主要原因：
1.结构设计方面：定位轴肩引起严重的应力集中，加之在未焊透时，该处在三向应力作用下，收到拉弯组合下的交变应力作用，很容易导致低应力下的疲劳断裂。

2.选材及工艺方面：20#钢的材质中碳含量严重偏离标准材质上限，如此高的含碳量严重的恶化了焊接性。

但是，此时依旧按照原先的焊接工艺施焊，焊接质量严重下降，达不到所要求的力学性能。

3.焊工技能方面：焊缝中存在大面积的未焊透，产生较大的应力集中，使得焊缝的力学性能急剧下降，承载能力减弱。

在较为严酷的工作环境下，发生失效在所难免。

4.安装使用及环境因素：由于定位轴肩的存在，在组装焊接的装配过程中，很容易产生残余应力。

严酷苛刻的工作环境下，在交变载荷的作用下长期工作，以及工作过程中使用不当造成的重心偏移，疲劳强度下降，极易引起疲劳断裂失效[3]。

六、焊接芯轴断裂失效预防措施
1．加强焊接检验，尽可能达到百分百探伤。

2．加强焊工的技能培训，定期进行焊工职业技能的在学习以及焊工技能大赛等，提高焊工焊接水平。

3．加强材料采购方面的管理，对进场的材料进行严格的质量检测，避免不合格材质流入生产车间。

4. 改善对定位轴肩的设计，采用类似上述的定位装置，就可以去掉定位轴肩，并且可以保证其同轴度。

参考文献
[1] 廖景娱,刘正义.金属构件失效分析[M].北京:化学工业出版社,2003.
[2] 李鹤林.失效分析的任务、方法及其展望[J].理化检验-物理分册,2005,41:1-6.
[3] 钟培道.断裂失效分析[J]. 理化检验-物理分册,2005,41(7):375-378.。