316L不锈钢焊管在生产过程中开裂原因的分析

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316L不锈钢焊管在生产过程中开裂原因的分析

316L不锈钢焊管在生产过程中开裂原因的分析

来源:浙江至德钢业有限公司发布:2020-03-22 23:47:26类别:不锈钢标准

 316L不锈钢焊管在生产过程中产生沿管壁圆周方向的裂纹。采用宏观形貌观察、金相显微镜观察、扫描电镜和能谱分析等方法对焊管开裂原因进行了分析。结果表明: 不锈钢焊管断裂方式为沿晶断裂,在断裂晶面和附近晶界上有铜元素富集,管壁内侧有富铜颗粒粘附。开裂主要原因为液相铜扩散进入奥氏体晶界引起晶界脆化,在应力作用下引起焊管开裂。


   浙江不锈钢管公司采用316L不锈钢加工焊管,用于制作热交换器的重要部件。主要生产流程为:带钢弯曲成形-钨极氩弧焊对接焊-退火-水下压力测试-成品。在水下测试试验时发现管壁有漏气现象,观察发现管壁沿圆周方向存在多处裂纹。由于这种裂纹比较细小,肉眼难以发现,一旦不慎用于产品上将会产生严重危害,因此本文对缺陷样品进行了分析,找到焊管开裂的主要原因。


一、试验过程和结果


1. 裂纹宏观形貌


   对316L不锈钢焊管进行了整体观察后发现,焊管直径25mm,壁厚1.4mm。裂纹分布无规律,长度约为3~5mm,大多数裂纹位于母材处,离焊缝和热影响区较远如图。将焊管剖开后,发现裂纹内侧有液滴状颗粒物粘附于内管壁,在HIROXKH-770三维视频显微镜下观察,颗粒物呈凸起形貌,位于裂纹的中间位置如图。裂纹断口呈黄紫色,由外壁向内壁颜色逐渐加深如图。


2. 化学成分


  钢管的化学成分见表。从表看出,各元素的含量均在ASTMA240/A240M-05标准规定的范围内。


3. 金相分析


  在裂纹附近的钢管上截取试样进行金相分析,金相显微镜下观察发现焊管缺陷位置的夹杂物分布正常,经GB/T10561-2005标准评级结果为氧化铝类细系1.0级,球状氧化物细系0.5级。样品经过腐蚀观察,组织为奥氏体。裂纹呈树枝状,沿晶界扩展,主裂纹附近的晶界上同时还发现有二次裂纹如图所示。


4. 扫描电镜和能谱分析


  取断口处试样在QUANTA400扫描电镜上进一步观察裂纹特征并利用EDAX能谱仪分析。裂纹断口呈沿晶断裂形貌,晶界处有片层状物质剥离破碎。对粘附在管内壁的颗粒和断口处的晶界进行了能谱分析,从分析结果来看,焊管内部的颗粒物和晶界上碎片状物质成分与基体明显不同,尤其铜元素明显偏高。能谱线扫描的结果表明铜元素在管壁内侧含量较高,管壁外侧逐渐降低见图。取裂纹截面试样经过抛光后在电镜下进行观察和能谱分析,发现主裂纹附近的部分晶界上,有铜元素富集,其结果见表。



二、分析讨论断口形貌和能谱


   分析表明断口上有铜元素富集,晶界上片层状物质呈低熔点液相凝固后的形态。能谱线扫描的结果显示管壁内侧的铜元素含量高于外侧,说明铜是由内侧向外侧扩散。管壁内侧发现的颗粒状粘附物,主要含有Fe、Cu、Cr、O等元素。因此,该富铜颗粒是扩散进入基体的铜元素的来源。一般认为温度达到低熔点金属熔点温度约2/3甚至1/2时,在拉应力作用下,低熔点金属即会沿晶界扩散进入金属内部致使脆化而逐渐形成裂纹。低熔点金属受热融化时若与固体金属表面直接接触,常使该固体金属浸湿而脆化,在拉应力作用下,从表面起裂,而裂纹尖端吸附低熔点液态金属原子,进一步降低固体金属的晶体结合键强度,导致裂纹脆性扩展。拉应力可以是外加拉应力,也可以是零件在工艺过程中形成的残余应力。这种液态金属致脆断裂往往在瞬间发生。纯铜的熔点为1083℃,但与低熔点金属形成合金后,熔点大大降低,如黄铜H68(铜锌合金)熔点仅为930℃左右,青铜(铜锡合金)根据锡含量的不同熔点在700~900℃之间。焊管退火工序的温度达到1050℃,在高温下焊管内壁附着的富铜颗粒形成了液相。同时管壁受较大的应力,在应力作用下,液相铜沿晶界由管壁向焊管内部扩散,最终贯穿整个管壁厚度方向,在焊管外表面的拉应力作用下,填满液相铜的晶界被拉开,造成焊管开裂,开裂的晶面覆盖有液相铜。由于空气进入,将高温的铜迅速氧化,因此颗粒物和断口处的成分中有氧元素存在,而裂纹附近未开裂的晶界仅有铜和基体元素。有研究认为,液相铜的形成是由于不锈钢焊管与铜制焊接设备(如焊接挤压套管)等冷态摩擦,粘染上固态铜,在高温退火时将被粘染的铜烧融形成液滴。笔者发现,在本案例中,富铜粘附物周围并未发现摩擦划伤痕迹,为了验证可能性,取铜制品在焊管上多次擦划,并撒上铜粉在现场重复生产流程,并未发现开裂。分析原因是冷态附着的铜与基体结合不够紧密,高温时极易氧化,不易扩散到基体中。结合在管壁内侧发现的液滴状附着物,本文认为附着物的形成是焊接过程中的熔融含铜液滴,飞溅到基体上,与基体紧密结合,由于自身具有较高的温度,金属铜处于一定的热激活状态,与基体金属相互扩散发生界面的化学吸附。在退火阶段,飞溅上的颗粒又重新形成液相,在应力作用下扩散贯穿管壁厚度方向,最终引起焊管开裂。因此在水下气压测试时,发现裂缝处有气体溢出。


三、结论


 1. 焊接时的熔融含铜液滴飞溅在焊管内壁,与基体金属发生界面的化学吸附,在退火时重新熔融形成液相,扩散到基体晶界中。


  2. 316L不锈钢焊管的开裂原因是,高温时液相铜扩散进入奥氏体晶界,在应力作用下扩展开裂。


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