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1.樣品信息

樣品為Φ108×3 的B10 管對接環焊縫，其背部沿熔合線存在多處裂紋。樣品母材為 BFe10-1-1 ，焊材為 HSCuNi。查供貨材料材質書及複驗報告，母材、焊材均未見異常。

對環焊縫進行着色滲透檢測，确認裂紋共三處，如圖1 所示。裂紋1 對應的正面焊縫已經修磨，修磨深度超過壁厚一半，修磨後可見裂紋。裂紋2、裂紋3 對應正面未見開裂。

主要實驗儀器包括：Leica DMI5000M 金相顯微鏡、FEI Quanta 600 掃描電子顯微鏡、

EDAX XM2 能譜儀等。

3 試驗結果

3.1宏觀分析

焊縫表面因氧化失去金屬光澤，焊縫兩側未見機械清理痕迹。環焊縫外形尺寸測量結果見表1。對裂紋進行測量，裂紋1 長度約30mm，裂紋2 長度約10mm，裂紋3 長度約16mm。選定裂紋3 進行取樣分析（見圖2），線切割後制作金相試樣、斷口試樣各一件。斷口試樣在丙酮溶液中超聲波清洗30min，宏觀形貌如圖3（a）所示，斷口中原始裂紋呈現明顯氧化色，判斷為熱裂紋。金相試樣宏觀形貌如圖3（b）所示，可見焊縫寬度過大，背面餘高較大，接近母材壁厚。

圖2 取樣示意圖

（a）斷口宏觀形貌

（b）宏觀金相試樣

圖3 試樣形貌

表1 焊縫尺寸

3.2金相分析

對裂紋3 金相試樣進行抛光侵蝕後觀察，形貌見圖4。依據GB/T 6417.1-2005《金屬熔化焊接頭缺欠分類及說明》，裂紋低倍組織檢測結果見表2。其中裂紋深度1.7mm，從背面焊趾處沿熔合線擴展，裂紋附近焊縫有一處孔穴，直徑約0.3mm。

圖 4 低倍金相 25X

裂紋尖端處金相組織高倍顯微組織如5 所示，裂紋沿晶界擴展，斷裂附近存在較多二次

裂紋。焊縫、熱影響區、母材組織如圖6 所示，焊縫金相組織為枝晶狀，熱影響區金相組織為孿晶α，母材金相組織為孿晶α。

圖 5 裂紋金相組織 400X

（a）焊縫金相組織 200×

(b) 熱影響區金相組織 200×

(c) 母材金相組織 100×

圖 6 金相組織

3.3 斷口掃描電鏡觀察

斷口掃描觀察，較低倍數下可觀察到原始裂紋和後期撕裂裂紋特征，見圖7。放大後觀察，原始裂紋斷口呈現晶粒多面體外形的的岩石狀花樣，具有沿晶脆性斷裂的特征。進一步放大，斷裂位置呈現球狀、塊狀兩種形态，選擇相鄰的球狀、塊狀組織進行能譜分析，結果見圖8、圖9。同時對裂紋附近熱影響區進行能譜對比分析，結果見圖10。能譜分析顯示裂紋斷口O、C 含量明顯增高，符合焊接熱裂紋特征，而裂紋附近熱影響區無O、C 元素存在。圖8、圖9 能譜分析位置為微觀相鄰位置，但鎳含量存在明顯差異，其中球狀組織鎳含量約22%，塊狀組織鎳含量約10%。

4 分析與讨論

1) 焊縫表面顔色無金屬光澤，裂紋處焊縫呈黑灰色，表明焊接過程氩氣保護效果不佳。

2) 焊縫附近母材未見機械清理痕迹，說明焊前坡口附近母材未進行清理或清理不徹底。

3) 原始裂紋斷口顔色及斷口掃描碳氧含量偏高，可判斷裂紋為焊接熱裂紋。

4）斷口掃描顯示裂紋為沿晶脆性斷裂,斷裂面的能譜分析顯示O含量偏高,O與Cu高溫反應生成Cu2O,Cu2O與Cu形成低熔點共晶體,其熔點為1065℃,而B10的熔化溫度範圍是1100℃~1150℃,B30熔化溫度範圍是1171℃~1237℃,低熔點共晶體結晶過程形成液态薄膜,在焊接應力下開裂,為典型液化裂紋。焊縫根部餘高過高,與母材過渡陡峭,緻使焊趾部位應力過大會加劇開裂。

5) 斷口相鄰組織鎳元素含量偏差近一倍,表明焊接時該部位元素過渡不連續。從金相組織也可以看出焊縫與母材根部熔合不佳。銅鎳合金熔點随鎳含量增加而升高,鎳含量的不連續導緻凝固的不連續,鎳含量較高的組織因熔點高而先形核結晶,呈球狀,符合斷口特征。現場反饋焊接時采用了正面施焊,背面加絲的焊接手法,這與正面坡口相違背,不利于焊接根部熔合及金屬合金元素的均勻過渡,易在焊縫背面焊趾處形成裂紋、氣孔等缺陷。

5 結 論

1、綜合分析,裂紋為焊接熱裂紋。斷口處C、O元素偏高,O與Cu高溫反應生成Cu2O與Cu,生成低熔點共晶體,是形成焊接熱裂紋的原因。

2、焊接坡口部位未清理,正面施焊,背面加絲的焊接工藝會影響焊縫背面充氩保護效果,這些因素會引入C、O雜質,并在熔合線附近富集。

3、正面施焊,背面加絲的焊接手法不利于焊縫根部熔合,易造成焊縫根部焊趾部位缺陷

4、建議加強焊接過程控制和檢查,如焊前清理、焊接保護,控制焊接熱輸入及層間溫度,采用正面施焊,正面加絲的焊接手法等。

作者：中國船舶重工集團公司第七二五研究所

編制：劉甲 審核：徐希軍 審批：蔔敏

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