316L不銹鋼焊管在生產過程中開裂原因的分析

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316L不銹鋼焊管在生產過程中開裂原因的分析

316L不銹鋼焊管在生產過程中開裂原因的分析

來源:310S大口徑耐高溫焊接管 ? 發布:2020-03-22 23:47:26 ? 類別:不銹鋼標準

 316L不銹鋼焊管在生產過程中產生沿管壁圓周方向的裂紋。采用宏觀形貌觀察、金相顯微鏡觀察、掃描電鏡和能譜分析等方法對焊管開裂原因進行了分析。結果表明: 不銹鋼焊管斷裂方式為沿晶斷裂,在斷裂晶面和附近晶界上有銅元素富集,管壁內側有富銅顆粒粘附。開裂主要原因為液相銅擴散進入奧氏體晶界引起晶界脆化,在應力作用下引起焊管開裂。


   浙江不銹鋼管公司采用316L不銹鋼加工焊管,用于制作熱交換器的重要部件。主要生產流程為:帶鋼彎曲成形-鎢極氬弧焊對接焊-退火-水下壓力測試-成品。在水下測試試驗時發現管壁有漏氣現象,觀察發現管壁沿圓周方向存在多處裂紋。由于這種裂紋比較細小,肉眼難以發現,一旦不慎用于產品上將會產生嚴重危害,因此本文對缺陷樣品進行了分析,找到焊管開裂的主要原因。


一、試驗過程和結果


1. 裂紋宏觀形貌


   對316L不銹鋼焊管進行了整體觀察后發現,焊管直徑25mm,壁厚1.4mm。裂紋分布無規律,長度約為3~5mm,大多數裂紋位于母材處,離焊縫和熱影響區較遠如圖。將焊管剖開后,發現裂紋內側有液滴狀顆粒物粘附于內管壁,在HIROXKH-770三維視頻顯微鏡下觀察,顆粒物呈凸起形貌,位于裂紋的中間位置如圖。裂紋斷口呈黃紫色,由外壁向內壁顏色逐漸加深如圖。


2. 化學成分


  鋼管的化學成分見表。從表看出,各元素的含量均在ASTMA240/A240M-05標準規定的范圍內。


3. 金相分析


  在裂紋附近的鋼管上截取試樣進行金相分析,金相顯微鏡下觀察發現焊管缺陷位置的夾雜物分布正常,經GB/T10561-2005標準評級結果為氧化鋁類細系1.0級,球狀氧化物細系0.5級。樣品經過腐蝕觀察,組織為奧氏體。裂紋呈樹枝狀,沿晶界擴展,主裂紋附近的晶界上同時還發現有二次裂紋如圖所示。


4. 掃描電鏡和能譜分析


  取斷口處試樣在QUANTA400掃描電鏡上進一步觀察裂紋特征并利用EDAX能譜儀分析。裂紋斷口呈沿晶斷裂形貌,晶界處有片層狀物質剝離破碎。對粘附在管內壁的顆粒和斷口處的晶界進行了能譜分析,從分析結果來看,焊管內部的顆粒物和晶界上碎片狀物質成分與基體明顯不同,尤其銅元素明顯偏高。能譜線掃描的結果表明銅元素在管壁內側含量較高,管壁外側逐漸降低見圖。取裂紋截面試樣經過拋光后在電鏡下進行觀察和能譜分析,發現主裂紋附近的部分晶界上,有銅元素富集,其結果見表。



二、分析討論斷口形貌和能譜


   分析表明斷口上有銅元素富集,晶界上片層狀物質呈低熔點液相凝固后的形態。能譜線掃描的結果顯示管壁內側的銅元素含量高于外側,說明銅是由內側向外側擴散。管壁內側發現的顆粒狀粘附物,主要含有Fe、Cu、Cr、O等元素。因此,該富銅顆粒是擴散進入基體的銅元素的來源。一般認為溫度達到低熔點金屬熔點溫度約2/3甚至1/2時,在拉應力作用下,低熔點金屬即會沿晶界擴散進入金屬內部致使脆化而逐漸形成裂紋。低熔點金屬受熱融化時若與固體金屬表面直接接觸,常使該固體金屬浸濕而脆化,在拉應力作用下,從表面起裂,而裂紋尖端吸附低熔點液態金屬原子,進一步降低固體金屬的晶體結合鍵強度,導致裂紋脆性擴展。拉應力可以是外加拉應力,也可以是零件在工藝過程中形成的殘余應力。這種液態金屬致脆斷裂往往在瞬間發生。純銅的熔點為1083℃,但與低熔點金屬形成合金后,熔點大大降低,如黃銅H68(銅鋅合金)熔點僅為930℃左右,青銅(銅錫合金)根據錫含量的不同熔點在700~900℃之間。焊管退火工序的溫度達到1050℃,在高溫下焊管內壁附著的富銅顆粒形成了液相。同時管壁受較大的應力,在應力作用下,液相銅沿晶界由管壁向焊管內部擴散,最終貫穿整個管壁厚度方向,在焊管外表面的拉應力作用下,填滿液相銅的晶界被拉開,造成焊管開裂,開裂的晶面覆蓋有液相銅。由于空氣進入,將高溫的銅迅速氧化,因此顆粒物和斷口處的成分中有氧元素存在,而裂紋附近未開裂的晶界僅有銅和基體元素。有研究認為,液相銅的形成是由于不銹鋼焊管與銅制焊接設備(如焊接擠壓套管)等冷態摩擦,粘染上固態銅,在高溫退火時將被粘染的銅燒融形成液滴。筆者發現,在本案例中,富銅粘附物周圍并未發現摩擦劃傷痕跡,為了驗證可能性,取銅制品在焊管上多次擦劃,并撒上銅粉在現場重復生產流程,并未發現開裂。分析原因是冷態附著的銅與基體結合不夠緊密,高溫時極易氧化,不易擴散到基體中。結合在管壁內側發現的液滴狀附著物,本文認為附著物的形成是焊接過程中的熔融含銅液滴,飛濺到基體上,與基體緊密結合,由于自身具有較高的溫度,金屬銅處于一定的熱激活狀態,與基體金屬相互擴散發生界面的化學吸附。在退火階段,飛濺上的顆粒又重新形成液相,在應力作用下擴散貫穿管壁厚度方向,最終引起焊管開裂。因此在水下氣壓測試時,發現裂縫處有氣體溢出。


三、結論


 1. 焊接時的熔融含銅液滴飛濺在焊管內壁,與基體金屬發生界面的化學吸附,在退火時重新熔融形成液相,擴散到基體晶界中。


  2. 316L不銹鋼焊管的開裂原因是,高溫時液相銅擴散進入奧氏體晶界,在應力作用下擴展開裂。


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