半軸套管摩擦焊接開裂有哪些原因？

1.理化檢驗

（1）宏觀分析

汽車后橋在安裝時將半軸套管與橋殼進行焊接，焊接采用先進的摩擦焊接工藝，半軸套管為經過調質處理45#普碳鋼，與套管連接部位的板材為510L汽車大梁用熱軋鋼板。經摩擦焊接后，距焊縫1mm左右的套管一側表層發現開裂現象，裂紋開口寬度為3mm，裂紋的長度超過20mm（見圖1）。

圖1  摩擦焊接開裂(實物) 

裂紋深度已經貫穿半軸套管的整個壁厚，并沿摩擦焊接的擠出料底部呈圓弧狀斷裂（見圖2）。圖示左側淺灰色部分為510L低碳合金鋼板材，右側深灰色部分為45#鋼半軸套管。圖示中部焊縫熔合區附近的裂紋發生在距焊縫附近的套管基體中，由裂紋的V字型開口可以判定，裂紋源位于圖示下部的套管外表面，圖示上部呈牛角狀的為摩擦焊接的擠出料。將摩擦焊接的半軸套管與橋殼板材各個熱影響區域分別標注為1-8#區域，進行金相檢測和分析（見圖2）。

圖2  焊縫剖面形貌(實物)

（2）化學成分分析

在生產加工記錄表中，追溯到該批45#半軸套管及510L板材的質量保證書，查閱到原材料批次號、材料牌號、圓鋼直徑。從庫存中剩余的原材料上截取樣塊，以供化學成分檢測。截取原材料樣塊尺寸為長25mm×寬25mm×厚15mm，進行化學成分檢測，檢測設備為Labspark5000精密直讀火花光譜儀，分析結果見表1、表2。檢查結果表明，原材料化學成分符合《GB/T3077—1999合金結構鋼》標準要求。

表1 45鋼化學成分分析結果（質量分數）（%）

表2  510L鋼化學成分分析結果（質量分數）（%）

（3）金相檢驗

1#區域為裂紋開口處緊靠焊縫熔合區一側的部位，組織為珠光體及粗大斷續網狀分布的鐵素體。圖示上部有一顆黑色顆粒的晶間熔洞組織，這是非金屬夾雜物熔融的孔洞。由于該處處于近焊縫區，產生的溫度已經達到和超過非金屬夾雜物熔化的溫度（見圖3）。

圖3  裂紋開口部位（40×）

2#區域為裂紋開口處套管基體一側的熱影響區，由于受到焊縫的熱影響及焊縫處低碳的內吸附，焊縫處的的碳濃度勢必要趨于均勻，該熱影響區碳勢將會產生下坡擴散，碳原子向焊縫處擴散和遷移，造成該區基體碳濃度降低，珠光體量銳減以及鐵素體量顯著增加。圖示高密度的網狀鐵素體已經被擠成細密的長條狀，呈現嚴重的纖維組織。由拉長的網狀組織可知，晶粒極為粗大，該部位屬于摩擦焊縫的嚴重受熱影響區（見圖4）。

圖4  裂紋開口部位（40×）

3#區域為半軸套管一側的受熱影響區，組織為珠光體及鐵素體，晶粒較為細小。該部位的組織相當于*正火處理后的組織，晶粒呈細小等軸狀均勻分布（見圖5）。4#區域為珠光體及網狀鐵素體，該處屬于未受熱影響的45#鋼母材。金相檢測判定，該組織是調質處理未*的組織形態，與正常調質處理后的回火索氏體組織相比，強度顯著降低，應該屬于調質處理不合格組織（見圖6）。

圖5 焊接熱影響區（400×）

圖6 套管一側母材（400×）

5#區域為摩擦焊接的焊縫部位，左側為510L板材的熔合區，組織為粗大的貝氏體及針狀魏氏體，屬于典型的低碳合金鋼焊縫組織；右側為45#鋼套管的熔合區，組織為珠光體及網狀鐵素體，網狀組織極為粗大，組織中同時存在針狀鐵素體的過熱魏氏組織（見圖7）。6#區域為510L板材一側的焊縫熔合區，組織為粗大的貝氏體及魏氏體。由于焊縫熔合區溫度*，且冷卻速度較快，同時由于該材料具有較高的淬透性，因此在焊接后空冷過程中，材料組織已經由過冷奧氏體向貝氏體轉變（見圖8）。

圖7 焊縫熔合區（400×）

圖8 板材近焊縫處（400×）

7#區域為510L板材一側距焊縫稍遠的受熱影響區，組織為等軸狀分布的鐵素體及少量珠光體，晶粒較為細小，該組織相當于正火細化處理（見圖9）。8#區域為未受熱影響的510L板材原材料組織，組織顯示為略帶變形的鐵素體晶粒及少量長條狀珠光體，這種組織屬于熱加工板材的特征組織（見圖9）。

圖9  焊接熱影響區（400×）

圖10  板材原始組織（400×）

2.分析與討論

摩擦焊接是采用高速旋轉的方式形成瞬間高溫，使焊接部位兩側的工件表面熔化，在較高的壓力作用下產生焊接熔合。由于摩擦產生的熱量均勻，正常工況下焊接良好，因此焊縫具有較高的抗拉強度和沖擊韌度。經過摩擦焊接的焊縫，能夠承受較高的拉向力和扭矩力。

該試樣的摩擦焊縫結合良好，未見任何孔洞、疏松和脫焊等缺陷組織，但是在距焊縫較近的套管一側卻發生了開裂現象。由裂紋開口的組織得知，開裂處有嚴重變形的纖維狀組織。這種組織的形成，是由于摩擦焊接后沒有及時卸載，在焊縫附近溫度降低到再結晶溫度以下，仍然對焊接部位施加壓力，終使變形的組織無法重新回復再結晶，這種嚴重的纖維狀組織在后序冷卻過程中產生的應力非常大。隨著焊縫溫度的逐漸降低，在熱應力作用下產生拘束應力，焊縫熔合區附近將會形成較強的拉向應力。同時半軸套管的調質處理不合格，未能形成強度及韌度較高的回火索氏體組織。而且經過高溫的影響，過冷奧氏體轉變為粗大的珠光體及網狀鐵素體，材料性能顯著降低。同時由于熔合區碳勢的下坡擴散，該處增加強度的碳原子大部分已經向焊縫處擴散和遷移，材料組織的強度及韌性進一步降低。此時套管一側近焊縫熔合區材料的抗拉強度，已經低于焊接拘束應力與變形組織應力所疊加的拉向應力，套管開裂也就在所難免了。

3.結論及建議

為了避免套管在摩擦焊接時產生類似的開裂現象，首先應該保證半軸套管的調質組織和強度。調質處理時應采用更為強烈的淬火介質，增加工件的表面淬透性，提高工件自身的強度和韌性。摩擦焊接過程中應調整焊接工藝，在保證焊縫質量的同時，應避免在再結晶溫度以下產生組織變形。必要時在焊后較短的時間內，對焊接的工件進行去應力回火，消除因焊接產生的拘束應力和熱應力，防止焊接件在放置和使用過程中產生應力集中開裂。

半軸套管摩擦焊接開裂有哪些原因？