表 1 焊縫母材和焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %
| 材料 | C | Cr | Ni | Mo | Al | Ti | S | V | B | Si | Mn | P | Fe |
| 母材 | 0.054 | 14.80 | 25.15 | 1.17 | 0.22 | 2.20 | 0.00088 | 0.26 | 0.0036 | 0.97 | 0.98 | 0.026 | 余量 |
| 焊絲 | 0.054 | 15.19 | 26.44 | 1.13 | 0.19 | 2.07 | 0.00340 | 0.32 | 0.0022 | 0.56 | 1.00 | 0.016 | 余量 |
分享：GH2132合金的焊接裂紋分析
GH2132是一種沉淀強(qiáng)化型高溫合金，常用于制作航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件[1−2]。GH2132板材焊接時(shí)出現(xiàn)焊縫開裂，對(duì)焊縫取樣進(jìn)行分析，尋找開裂原因，以改進(jìn)焊材和焊接工藝。
1. 實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)所用母材為GH2132固溶態(tài)板材。母材與焊絲的化學(xué)成分如表1所示，焊接參數(shù)為：焊接電流200 A，焊接速度0.6 mm/min，送絲速度130 m/min。對(duì)焊縫部位取樣，觀察微觀組織。并進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，分析斷口。
2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 組織分析
圖1所示為焊縫的宏觀形貌。中間泛白區(qū)為焊縫，周圍灰黑色區(qū)域?yàn)槟覆??？梢姾缚p截面大體呈V形，母材及熔池因局部受熱差異導(dǎo)致熔池左右兩側(cè)邊緣形狀有所不同。
圖 1 焊縫宏觀形貌
圖2所示為焊縫裂紋附近組織，可見有大量析出相沿晶界分布。圖2（a）中的晶界析出相形狀不規(guī)則，內(nèi)部疏松，且邊緣有熔化跡象。晶界及晶內(nèi)有塊狀相存在，如箭頭所示。圖2（b）中裂紋沿晶界延伸。箭頭1所示為已開裂并有所擴(kuò)展的裂紋，箭頭2所示為剛剛在晶界萌生的裂紋，裂紋萌生處存在大量細(xì)碎析出相，如圖2（b）中橢圓框所示。可以推斷，這些細(xì)碎析出相在裂紋萌生前的狀態(tài)與圖2（a）中一致。在開裂過(guò)程中，被應(yīng)力撕扯，導(dǎo)致碎成圖2（b）中所示的狀態(tài)。
圖 2 裂紋附近組織：（a）區(qū)域一；（b）區(qū)域二
圖2（b）箭頭3所示為孿晶。因焊接熔池是鑄態(tài)組織，故此為生長(zhǎng)孿晶。生長(zhǎng)孿晶的形成需要低的層錯(cuò)能以及大的冷卻速度[3−7]。這意味著此處的冷卻速度大，而大的冷卻速度導(dǎo)致大的熱應(yīng)力，進(jìn)一步加劇了焊縫的開裂傾向。
圖3為晶界析出相的能譜分析。結(jié)果表明相對(duì)于基體成分（表1）晶界析出相中Ti、Mo富集（表2）。GH2132合金屬鐵鎳基高溫合金，在鐵鎳基的體系里，Ti為沉淀元素，易與其它元素形成多種析出相，而Mo為固溶元素，通常與基體形成置換固溶體，有時(shí)也會(huì)形成析出相，但Mo形成的析出相不穩(wěn)定，易分解。此處的能譜分析表明，Ti形成了析出相，沉淀在晶界。而Mo在熔池凝固過(guò)程中因溫度降低，在基體中的溶解度降低，被排到了晶界區(qū)，與其它元素一起形成了復(fù)雜的低熔點(diǎn)共晶組織。此類組織熔點(diǎn)低，強(qiáng)度低，疏松質(zhì)脆，在合金中是嚴(yán)重的薄弱環(huán)節(jié)，是導(dǎo)致開裂的一個(gè)重要因素。
圖 3 裂紋附近晶界區(qū)能譜分析：（a）電子圖像；（b）能譜圖
表 2 晶界析出相成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %
| Si | Ti | Cr | Mn | Fe | Ni | Mo |
| 3.34 | 19.25 | 8.21 | 1.23 | 30.49 | 34.08 | 3.40 |
2.2 斷口分析
圖4所示為焊縫的拉伸斷口。當(dāng)拉伸試樣內(nèi)部有微裂紋時(shí)，試樣將沿微裂紋開裂，觀察斷口可分析微裂紋的成因。斷口上有3種類型的區(qū)域，分別是圖4（b）中橢圓標(biāo)示區(qū)域、圖4（b）中方框標(biāo)示區(qū)域以及如圖4（d）所示的韌窩區(qū)。
圖 4 焊縫斷口：（a）宏觀形貌；（b）韌窩區(qū)-未結(jié)晶界面；（c）未結(jié)晶界面；（d）韌窩區(qū)
方框所示區(qū)域呈熔化跡象，表明此區(qū)域在焊接過(guò)程中未熔合，以下稱此類區(qū)域?yàn)槲慈酆蠀^(qū)。橢圓區(qū)域無(wú)韌窩特征，既無(wú)解理斷裂特征，也無(wú)晶界脆性斷裂的平滑斷口特征，而是呈碎顆粒狀。結(jié)合圖2所示的晶界析出相的狀態(tài)可以判斷，此為晶界沿析出相分離后的界面，碎顆粒為被應(yīng)力撕碎的析出相，與圖2（b）的分析一致。以下稱此類區(qū)域?yàn)榫Ы玳_裂區(qū)。圖4（c）為未熔合區(qū)與晶界開裂區(qū)的放大顯示，其更清晰地顯示了此二區(qū)的特點(diǎn)。
由晶界開裂區(qū)斷口形貌及圖2所示的晶界低熔點(diǎn)析出相可以判斷，晶界處的裂紋為結(jié)晶裂紋，是晶界低熔點(diǎn)相與熱應(yīng)力共同導(dǎo)致的。圖4（d）所示的韌窩區(qū)也表明，焊縫中有部分熔合良好的區(qū)域呈韌性斷裂。
由以上分析可知，焊縫中有未熔合區(qū)域，成為內(nèi)部孔洞與原始裂紋。且焊縫中有晶界低熔點(diǎn)相導(dǎo)致的結(jié)晶裂紋。另外，冷卻速度快造成的熱應(yīng)力大也是開裂的一個(gè)重要原因。
3. 結(jié)論
（1）焊縫組織晶界上存在大量的富Ti、Mo的低熔點(diǎn)相，組織中有較多的生長(zhǎng)孿晶。焊縫組織層錯(cuò)能較低，焊后冷卻速度大，熱應(yīng)力大。
（2）焊縫斷口上存在3類區(qū)域，分別為未熔合區(qū)、晶界開裂區(qū)以及韌性斷裂區(qū)。
（3）晶界低熔點(diǎn)相的大量密集分布以及焊后熱應(yīng)力大共同導(dǎo)致了晶界沿析出相開裂。
（4）焊縫中同時(shí)存在未熔合區(qū)導(dǎo)致的內(nèi)部孔洞與晶界低熔點(diǎn)相導(dǎo)致的結(jié)晶裂紋。
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【本文標(biāo)簽】：板材 焊接開裂 焊縫檢測(cè) 焊接工藝評(píng)定 開裂原因
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