桂斯睿1 罗新平2 李林星3
1（湖南乐盟众包智造服务有限公司，长沙410000）
2（江南工业集团有限公司，湘潭 411207)
3(益阳职业技术学院，益阳413002)
摘要：某产品的用材是一种超高强度钢，其碳含量高达1.19%，焊接接头在焊接过程中很容易产生焊接裂纹。其产品在设计之初，有关设计单位考虑到这种超高强度钢的焊接性能较差，焊接质量难以保证，为满足现代国防建设的需求为导向，进行超高强度钢零件裂纹失效模式分析，查出零件低应力破坏的原因是由焊接瑕疵引起的淬火裂纹和焊接扩展裂纹所致。根据失效模式分析，对焊接零部件的焊接和热处理工艺进行自主创新，通过多次PDCA循环实验检测改进，创新研发出超高强度钢零部件防裂焊接和热处理等多项新工艺，及时解决了焊接和淬火裂纹问题。从而确保了产品的质量及可靠性、安全性，使产品得到了系列发展，各项效益显著。
关键词：高强度高钢；焊接及淬火裂纹；失效分析；薄壁精密加工；焊接件预热处理
一、超高强度钢焊接零部件裂纹失效分析其背景
该产品是我国自行研制的军工产品，填补了我国国防建设中的一个空白，该产品中一个重要零部件的材料为超高强度钢，碳含量为1.19%，焊接性能差，容易产生焊接裂纹。在产品设计之初，有关设计单位考虑到这种材料焊接性能差，质量难以保证，所以设计为整体切削加工工件，避免焊接，由于该产品带有深盲孔的复杂结构，超高强度薄壁精密加工，当时在国内没有单位能加工的出来，所以采纳了改成焊接结构件。但是，在完成产品设计定型，开始批量生产时，连续两批零部件水压试验出现低应力破坏的异常情况，继而又发现连续三批零部件存在难以发现的微小裂纹，始裂部位均在焊接热影响区内，并向母材扩展延伸，产品的生产不得不暂停。若不及时解决其问题，可能导致该产品的下马失去生产权。因此必须确定该产品零部件在焊接过程中出现低应力破坏和焊接裂纹的原因，尽快提高和确保产品质量，使其产品性能，质量均达到和超过国际先进水平。
二、对症下药开展全面细致的焊接失效分析工作
产品零部件为超高强度钢，零件经过锻造、旋压、焊接、热处理、切削加工等制造工艺过程，其失效形式是水压试验低应力破裂和水压试验升到一定压力下漏水，根据这些具体情况，先后对第一批和第二批中水压试验异常破裂及漏水的零部件进行了断口、金相分析、力学性能等项目的测试分析，并对原材料和生产过程进行了全面调查分析。
1、对失效零部件断口的宏观分析，从失效零件破裂的形貌 (见图1)，可见零件在破裂前有明显的塑性变形，除靠近外部件尾部焊缝收弧处附近的断口以外，其余大部分断口约为45°的剪切断口，为韧性断裂。其破裂的宏观形貌符合超高强度结构钢水压试验破裂的正常形貌。根据断口形状和断口上条纹判断，其开始裂开的部位为靠近外部零件尾部焊缝收弧处的热影响区。
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2、对有故障的零件进行力学性能和金相组织检测分析，对有故障的零件取样复验力学性能，其抗拉强度延伸率均符合产品图纸要求，取样部位为断裂部位附近未发生变形的部位，对开裂处和未裂处取金相试样各一件，检查金相组织，为回火索氏体，符合该材料淬火、回火之后的材料组织要求。
3、对原材料及生产情况的调查，经查该产品所用原材料有供货方检验合格的质保证，并经需方进厂验收合格。该材料在钢厂是采用真空感应熔炼加电渣精炼的方法炼制的，并经锻压和热处理成材，查其生产原始记录和质量检验数据，均未发现异常。
4、对前三批失效零件的断口进行电镜及能谱检查，在北京钢研院对外部零部件尾部焊接收弧处的断口试样进行了电镜及能谱检查，从其电镜检查断口照片与能谱分析的曲线可见，断口部位没有发生脱碳。
5、对零部件生产及热处理工艺的复审，钢厂和北京钢研院推荐的某系列超高强度钢的淬火温度为840℃～900℃，回火温度为500℃～550℃。经查零部件生产实施的淬火、回火工艺符合该钢种的热处理工艺要求。
6、对失效零部件的分析，在产品进行水压试验时，出现一件异常破裂，8件在压力上升到一定高度时漏水的情况。对破裂件断口的宏观分析，检查发现在外部件行收弧处的边缘有一条原始裂纹，即水压试验前存在裂纹，对漏水件的检查分析，其余7件全都是在外部零部尾端收弧处焊接外缘漏水。经多次多种探伤检测方法，才检测出漏水处的缺陷是难以发现的微细小裂纹。对微细裂纹金相分析，裂纹出现在行边缘或附近的热影响区，而不再焊缝中，故不属于焊接热裂纹。对裂纹部位剖取金相试样进行检查分析的结果是：试样组织正常；裂纹的形貌为：裂纹从失效件的表面开始，沿径向心部延伸，裂纹末端圆钝，两端平滑，另一条裂纹从第一条裂纹末端开始到零件内表面。由于第一条裂纹末端圆钝，故不属于淬火裂纹，又因其两侧平滑，为穿晶断裂，组织中又没有偏心现象，而两侧材料组织晶粒细小，所以，不属于焊接裂纹中的再热裂纹，而属于焊接裂纹中的冷裂纹，与大裂纹末端相接的另一条细小裂纹，不属于焊接裂纹，而应属于在后续淬火或在进行水压试验对受应力作用而产生的扩展裂纹。
7、对低应力破坏的分析，根据以上的排查和分析，得出零部件低应力破坏的原因：零部件存在裂纹，始裂处为焊接热影响区，因此决定对现有零部件进行全面检测，查清裂纹产生的原因，并研究有效防止裂纹的方法，通过对零部件裂纹产生原因的分析意见，上述失效分析和对产品过程中的人、机、料、法、环、测的检测分析，零部件焊接裂纹产生的原因如下：
①某系列超高强度钢的碳含量为1.19%，焊接很容易产生裂纹，焊接难度较大。
②焊接工艺要求的防裂措施执行不够严格。
③受阴冷潮湿的冰灾天气的影响，零部件焊接裂纹问题因果分析如图2。
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三、防止零部件焊接裂纹产生的改进措施
1、改进措施
研发某系列超高强度钢焊接零部件防裂焊接件及焊后热处理工艺、焊后热处理，采用荧光磁粉检测结合X射线拍片检测，检测焊接质量，加强对焊接及焊后热处理，对焊接工房进行焊接环境改造，使焊接不受天气和环境的温湿度的不良影响。
2、研发超高强度钢零部件防裂焊接及焊后热处理工艺
针对某系列超高强度钢碳含量高，焊后容易产生焊接冷裂纹的特点，经过多次改进完善，研发了某系列超高强度钢零部件防裂焊接及焊后热处理工艺，并开发出新的焊后热处理炉。
3、创新了焊接及焊后热处理生产管理和质量管理方法
根据超高强度钢零部件防裂焊接及焊后热处理工艺的工艺流程和要求，制定了一整套关于焊接及焊接后热处理、质量检验的生产管理和质量管理制度，建立了“一件一卡”制度，确保操作人员严格按照工艺规程要求执行。焊后按规定的时间及时进行焊后热处理，确保每件产品的每一道焊接工序和焊后热处理工序、检测工序，都必须有操作人员和检测人员在工序流转卡上签字负责，从而有效加强和完善了对焊接及焊接后热处理的生产和检测管理。
4、改进效果
通过严格执行上述超高强度钢零部件防裂焊接及焊后热处理工艺，及其生产及质量管理之后。焊接中出现裂纹需返修的产品明显减少，改进效果非常明显。焊接工房不再受环境及天气的影响，零部件焊接裂纹的问题得到了较圆满解决。
四、经济效益、社会效益显著
通过对某超高强度钢零部件裂纹失效模式的分析，及防裂技术的质量自主创新，及时解决了我国某系列产品零部件的低应力破坏及裂纹问题。确保和提高了产品质量，使得产品的系列化发展和生产能力得到了发展，并促进了企业技术管理、质量管理、生产管理水平的提高。产品轻量化是提高航天航空、兵器产品和车辆的性能，节约能源的有效途径。采用超高强度钢是实现产品轻量化的有效途径之一，是国内外产品发展的趋势，超高强度钢现普遍用于国防军工系统，在民品的应用也越来越多，超高强度钢的碳含量一般很高，很容易出现裂纹，及时发现和事先预防产品的裂纹，防止产品发生失效事故，非常重要，对我国超高强度钢材料制件预防裂纹，确保和可靠性，促进产品轻量化的发展具有特别重要的含义。
参考文献
［1］胡世炎等.机械失效分析手册［M］. 四川科学技术出版社，1989:257
［2］陈伯.金属焊接性基础［M］. 机械工业出版社，1982:237-238