至德钢业不锈钢无缝管油缸缸筒焊接质量的试验分析

 浙江至德钢业有限公司结合不锈钢无缝管油缸缸筒断裂的实例，从外观、材料化学成分、微观实验、宏观断口等方面进行了分析，阐述了不锈钢无缝管油缸缸筒断裂的原因及与其他零部件焊接时如何进行焊接质量的控制。缸筒是液压缸上的主要部件，此油缸技术参数为：缸径Φ150ｍｍ，杆径Φ110ｍｍ，行程1950ｍｍ，压力16MPa，缸筒材料采用304不锈钢无缝管，无缝管采购回来后不进行任何热处理及表面处理。缸筒加工工艺为：定尺下料（锯床）→车工艺夹头→粗镗→精镗滚压内孔。此油缸作为螺旋钻机起架油缸，在装配完毕进行试车时发生缸筒断裂事故，而其他相关件并无损坏。经分析原因为缸筒表面存在焊接质量很差的焊缝，造成缺陷处应力集中和局部区域应力叠加，加之缸筒本身性能指标较低，这些因素共同作用的结果。至德钢业针对缸体断裂的案例，阐述了该类无缝钢管的焊接特点和采取的工艺措施，对304不锈钢无缝管的焊接质量控制进行分析总结。

一、试验分析

 1. 宏观断口分析

  油缸缸筒断裂发生在下端一侧大约400ｍｍ左右位置，缸筒外径约Φ180ｍｍ，壁厚约14ｍｍ，表面有一条长约70ｍｍ焊缝。断口宏观分析表明：断裂起源于缸筒外表面焊点处，为一次性快速脆性撕裂。分别截取不同部位断口旁试样，做进一步试验分析。

 2. 材料化学成分检测试验

  检验结果表明：基体材料各元素均在标准要求范围内，合格。

 3. 显微组织分析

   a. 缸筒中非金属夹杂物试验

   b. 缸筒裂源区由表面至心部组织、晶粒度试验

   显微组织分析表明：缸筒基体组织为珠光体＋块状、针状铁素体、魏氏组织3级，晶粒度为6.0级和3.0级，属过热组织；表面焊点焊缝组织非常粗大，尤其是热影响区出现针束状、板条状马氏体，晶粒较粗，见图所示。说明缸筒基体组织是明显过热的缺陷组织，表面焊点焊缝热影响区组织也为不允许组织。

  c. 断口旁显微组织分析

   断口旁显微组织分析表明：有两条裂纹，一条较细，一条稍粗，裂纹断续、曲折、锯齿状分布，裂纹旁组织无明显变化，也无氧化、脱碳现象。说明裂纹是后面形成的，属明显的应力裂纹。

  4. 扫描电镜断口分析

   裂源区断口扫描电镜分析表明：开裂起源于缸筒表面的焊点，焊缝与热影响区形成明显的圆弧形区域，表面起裂区大部分为光滑缺陷区和柱状波纹花样，同时两侧焊缝与基体交接表面处均有裂纹、夹渣等缺陷存在，表面各处的下面均是大片的沿晶断花样，应该是对应的焊缝热影响区，此沿晶断花样区分布在整个圆弧形区域。圆弧形区域与基体断口有明显分界，基体断口呈典型的人字纹花样，指向圆弧形区域裂源区，基体断口呈粗大的解理花样＋二次裂纹，内表面终断区有很薄的剪切唇，说明表面焊缝存在裂纹、夹渣等严重缺陷，同时造成热影响区呈完全脆性，断裂属起源于表面焊缝的快速脆性撕裂。

   对断口扫描电镜分析表明：断裂起源于缸筒内表面，裂源区有数个小的竖棱存在，表明有应力集中存在，整个断口均为粗大的解理花样＋二次裂纹，终断区外表面有明显的凹陷，应为断裂落地后磕碰的，说明此处开裂是由内表面向外的快速撕裂。

 二、讨论与分析

  1. 缸筒材料质量分析

  缸筒采用304不锈钢无缝管，基体化学成分试验分析结果表明成分符合材质要求。基体显微组织分析表明，钢中纯净度较好，在合格范围内。缸筒基体组织为珠光体＋块状、针状铁素体、魏氏组织3级，晶粒度为6.0和3.0级，属过热组织，说明缸筒基体组织是明显过热的缺陷组织，这往往是锻造或轧制加热温度过高，终锻温度也过高而形成的。一般来说，具有魏氏组织的锻件，不仅拉伸性能有所降低，其冲击性能降低得尤为剧烈，使钢材变脆。

  缸筒表面有一条长约70ｍｍ的纵向焊缝，主要是用来连接和固定并排安放的两个缸筒，组织分析表明表面焊缝组织非常粗大，尤其是热影响区出现针束状、板条状马氏体，晶粒很粗大，属于超硬的不允许组织，同时可知焊缝中存在裂纹、夹杂等严重缺陷。说明表面焊缝的焊接存在的明显操作不当，本身缸筒材料可焊性较差，若焊接时工艺、操作不当，增加了焊接缺陷的产生，将直接影响到油缸的使用。

  2. 缸筒横向断裂原因分析

  油缸缸筒在表面焊缝连接处断裂，宏观、微观试验分析结果表明，开裂起源于缸筒表面的焊缝与热影响区形成明显的圆弧形区域，表面焊缝存在裂纹、夹渣等严重缺陷，同时造成热影响区呈完全脆性，可以确定断裂属起源于表面焊缝的快速脆性撕裂。油缸即液压缸是输出力和活塞有效面积及其两边的压差成正比的直线运动式执行元件，其职能是将液压能转换成机械能。本液压缸缸筒采用304不锈钢无缝管，此种材料也是缸筒的常用材料，但此材料可焊性较差，如果要焊接作业，需要采取适当措施予以保护和控制，试验分析结果可以确定缸筒表面连接焊缝存在明显操作不当，造成热影响区形成硬化组织，且焊缝中存在裂纹、夹渣等严重缺陷，同时局部快速加热与冷却，导致产生陡降的温度场，由此产生热应力，而金属冷却收缩受到限制可引起较大的拘束力，这样，局部区域的金属处于三维拉伸状态，甚至可能造成缸筒局部弯曲，当油缸工作时，由于较大的推力、重力作用，可造成缸筒表面焊缝缺陷处应力集中和局部区域应力叠加，加之缸筒本身性能指标较低，一旦超过材料强度极限，将容易产生起源于焊缝缺陷区的沿管壁扩展的快速脆性撕裂。

三、结论

  304不锈钢无缝管生产油缸缸筒断裂是因为表面存在焊接质量很差的焊缝，造成缺陷处应力集中和局部区域应力叠加，加之缸筒本身性能指标较低，共同作用的结果。焊接质量控制是承压设备产品总体质量控制的核心。控制焊缝质量应从焊接材料、焊接设备、焊接工艺、焊接操作、焊后热处理、焊缝检验等方面入手，制定出正确可行的焊接方案，从而能保证可行、可靠的焊缝，确保产品的整体质量。