半轴套管摩擦焊接开裂有哪些原因？

半轴套管摩擦焊接开裂有哪些原因？

1.理化检验

（1）宏观分析

汽车后桥在安装时将半轴套管与桥壳进行焊接，焊接采用先进的摩擦焊接工艺，半轴套管为经过调质处理45#普碳钢，与套管连接部位的板材为510L汽车大梁用热轧钢板。经摩擦焊接后，距焊缝1mm左右的套管一侧表层发现开裂现象，裂纹开口宽度为3mm，裂纹的长度超过20mm（见图1）。

图1  摩擦焊接开裂(实物) 

裂纹深度已经贯穿半轴套管的整个壁厚，并沿摩擦焊接的挤出料底部呈圆弧状断裂（见图2）。图示左侧浅灰色部分为510L低碳合金钢板材，右侧深灰色部分为45#钢半轴套管。图示中部焊缝熔合区附近的裂纹发生在距焊缝附近的套管基体中，由裂纹的V字型开口可以判定，裂纹源位于图示下部的套管外表面，图示上部呈牛角状的为摩擦焊接的挤出料。将摩擦焊接的半轴套管与桥壳板材各个热影响区域分别标注为1-8#区域，进行金相检测和分析（见图2）。

图2  焊缝剖面形貌(实物)

（2）化学成分分析

在生产加工记录表中，追溯到该批45#半轴套管及510L板材的质量保证书，查阅到原材料批次号、材料牌号、圆钢直径。从库存中剩余的原材料上截取样块，以供化学成分检测。截取原材料样块尺寸为长25mm×宽25mm×厚15mm，进行化学成分检测，检测设备为Labspark5000精密直读火花光谱仪，分析结果见表1、表2。检查结果表明，原材料化学成分符合《GB/T3077—1999合金结构钢》标准要求。

表1 45钢化学成分分析结果（质量分数）（%）

表2  510L钢化学成分分析结果（质量分数）（%）

（3）金相检验

1#区域为裂纹开口处紧靠焊缝熔合区一侧的部位，组织为珠光体及粗大断续网状分布的铁素体。图示上部有一颗黑色颗粒的晶间熔洞组织，这是非金属夹杂物熔融的孔洞。由于该处处于近焊缝区，产生的温度已经达到和超过非金属夹杂物熔化的温度（见图3）。

图3  裂纹开口部位（40×）

2#区域为裂纹开口处套管基体一侧的热影响区，由于受到焊缝的热影响及焊缝处低碳的内吸附，焊缝处的的碳浓度势必要趋于均匀，该热影响区碳势将会产生下坡扩散，碳原子向焊缝处扩散和迁移，造成该区基体碳浓度降低，珠光体量锐减以及铁素体量显著增加。图示高密度的网状铁素体已经被挤成细密的长条状，呈现严重的纤维组织。由拉长的网状组织可知，晶粒极为粗大，该部位属于摩擦焊缝的严重受热影响区（见图4）。

图4  裂纹开口部位（40×）

3#区域为半轴套管一侧的受热影响区，组织为珠光体及铁素体，晶粒较为细小。该部位的组织相当于完全正火处理后的组织，晶粒呈细小等轴状均匀分布（见图5）。4#区域为珠光体及网状铁素体，该处属于未受热影响的45#钢母材。金相检测判定，该组织是调质处理未完全的组织形态，与正常调质处理后的回火索氏体组织相比，强度显著降低，应该属于调质处理不合格组织（见图6）。

图5 焊接热影响区（400×）

图6 套管一侧母材（400×）

5#区域为摩擦焊接的焊缝部位，左侧为510L板材的熔合区，组织为粗大的贝氏体及针状魏氏体，属于典型的低碳合金钢焊缝组织；右侧为45#钢套管的熔合区，组织为珠光体及网状铁素体，网状组织极为粗大，组织中同时存在针状铁素体的过热魏氏组织（见图7）。6#区域为510L板材一侧的焊缝熔合区，组织为粗大的贝氏体及魏氏体。由于焊缝熔合区温度极高，且冷却速度较快，同时由于该材料具有较高的淬透性，因此在焊接后空冷过程中，材料组织已经由过冷奥氏体向贝氏体转变（见图8）。

图7 焊缝熔合区（400×）

图8 板材近焊缝处（400×）

7#区域为510L板材一侧距焊缝稍远的受热影响区，组织为等轴状分布的铁素体及少量珠光体，晶粒较为细小，该组织相当于正火细化处理（见图9）。8#区域为未受热影响的510L板材原材料组织，组织显示为略带变形的铁素体晶粒及少量长条状珠光体，这种组织属于热加工板材的特征组织（见图9）。

图9  焊接热影响区（400×）

图10  板材原始组织（400×）

2.分析与讨论

摩擦焊接是采用高速旋转的方式形成瞬间高温，使焊接部位两侧的工件表面熔化，在较高的压力作用下产生焊接熔合。由于摩擦产生的热量均匀，正常工况下焊接良好，因此焊缝具有较高的抗拉强度和冲击韧度。经过摩擦焊接的焊缝，能够承受较高的拉向力和扭矩力。

该试样的摩擦焊缝结合良好，未见任何孔洞、疏松和脱焊等缺陷组织，但是在距焊缝较近的套管一侧却发生了开裂现象。由裂纹开口的组织得知，开裂处有严重变形的纤维状组织。这种组织的形成，是由于摩擦焊接后没有及时卸载，在焊缝附近温度降低到再结晶温度以下，仍然对焊接部位施加压力，终使变形的组织无法重新回复再结晶，这种严重的纤维状组织在后序冷却过程中产生的应力非常大。随着焊缝温度的逐渐降低，在热应力作用下产生拘束应力，焊缝熔合区附近将会形成较强的拉向应力。同时半轴套管的调质处理不合格，未能形成强度及韧度较高的回火索氏体组织。而且经过高温的影响，过冷奥氏体转变为粗大的珠光体及网状铁素体，材料性能显著降低。同时由于熔合区碳势的下坡扩散，该处增加强度的碳原子大部分已经向焊缝处扩散和迁移，材料组织的强度及韧性进一步降低。此时套管一侧近焊缝熔合区材料的抗拉强度，已经低于焊接拘束应力与变形组织应力所叠加的拉向应力，套管开裂也就在所难免了。

3.结论及建议

为了避免套管在摩擦焊接时产生类似的开裂现象，首先应该保证半轴套管的调质组织和强度。调质处理时应采用更为强烈的淬火介质，增加工件的表面淬透性，提高工件自身的强度和韧性。摩擦焊接过程中应调整焊接工艺，在保证焊缝质量的同时，应避免在再结晶温度以下产生组织变形。必要时在焊后较短的时间内，对焊接的工件进行去应力回火，消除因焊接产生的拘束应力和热应力，防止焊接件在放置和使用过程中产生应力集中开裂。

半轴套管摩擦焊接开裂有哪些原因？