液压油缸活塞杆摩擦焊接头断裂失效分析

液压油缸活塞杆摩擦焊接头断裂失效分析

邓绍振 李才 徐超 李树江

娄底市中兴液压件有限公司 湖南 娄底 417000

摘要：从摩擦焊原理出发，对液压油缸活塞杆断裂失效事故展开实例研究。通过对断裂故障件的化学成分、金相组织等进行分析，找出摩擦焊活塞杆焊缝失效的主要原因，提出了改善焊缝性能的措施。

关键词: 液压油缸；摩擦焊；断裂；失效；

1、序言

液压油缸以其结构简单、工作可靠、响应迅速、维护成本低而广泛应用于工程机械领域。其中挖掘机油缸常应用于复杂工况，活塞杆经常遭受较大的冲击、弯曲载荷，使用现场偶有断裂的故障发生[1]，活塞杆由耳环与杆体通过摩擦焊接而成。现有现场使用断裂直径Փ80mm活塞杆1支，现对其进行失效分析，提出改进和防止失效的措施，对延长油缸的使用寿命，提升工程车辆的安全可靠性性有着重大的现实意义和指导意义。

2、摩擦焊原理

摩擦焊是利用焊件接触端面相对运动中摩擦产生的热，使端部达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种压焊工艺。根据摩擦运动的轨迹分为旋转式和轨道式，我司采用的连续驱动摩擦焊，是旋转式的一种，其特点是单侧焊件以恒定转速旋转，另一侧焊件施加轴向力，使焊件间摩擦加热，达到预定加热温度或轴向压缩量后转动急停，轴向施加顶锻压力并保持一定时间，实现焊件固相连接[2-3]。

3、现场调研

活塞杆由耳环与杆体组成，耳环材质为45钢，杆体材料为SG740，生产工艺为车端面—杆体感应调质热处理—校直—摩擦焊—车削飞边—完成。杆体调质后杆体表面硬度53-58HRC，摩擦焊部位有15-20mm不调质。耳环与杆体采用摩擦压力6.3MPa和顶锻压力9.5MPa进行摩擦焊接，一般情况下摩擦焊质量比较稳定。

图1 失效活塞杆的宏观形貌

活塞杆断裂部位在摩擦对焊连接处，断面平直，未见明显的塑性变形，属于典型的脆性断裂，断面具有较好的金属光泽，裂纹走向清晰，裂纹由芯部向外侧进行扩展，可以判断出芯部为裂纹源。为进一步确定具体原因，对断裂的活塞杆进行如下检测：(1) 对原材料的化学成分、力学性能及金相组织等分析；(2) 对断口进行扫描电镜和能谱分析；(3) 对现场加工过程及工艺综合分析，提出改进和防止失效的措施[4]。

4、理化检验及工艺分析

4.1 成分检测

分别从杆头与杆体上取样，在(设备型号)光谱仪上分析化学成分，结果见表1。可见除杆体中V的质量分数大于标准值外，其余的化学成分都符合技术协议要求；

4.2 金相检测

图2为杆体焊缝芯部（裂纹源处）金相组织，裂纹内侧有大量的贝氏体+马氏体组织，仅有少量的珠光体组织。马氏体组织的基本特性是硬而脆且具有较大的裂纹敏感性，是造成焊缝突发性脆断的主要原因。

图2焊缝芯部（裂纹源处）金相组织

4.3 硬度检测

对杆头和杆体侧焊缝断裂部位进行硬度检测，在距杆头侧裂纹面0.5mm左右，硬度值较高达到350.9HV1，而据杆头侧面裂纹0.6mm往后硬度有一个明显下降的趋势。杆体侧离裂纹表面硬度值可以看出，在离裂纹2mm处，硬度值仍处于300HV1左右的范围，说明焊接断裂面处于杆体侧，检测马氏体带白亮处的显微硬度，平均值为423.7HV1，远超350HV1的标准值。

图3 断裂部位硬度检测

3.4 电镜扫描及能谱分析

从图4可以看出，芯部断裂处有明显的同心圆状裂纹痕迹，由于在服役过程中不会存在活塞杆沿轴向做圆周运动情况，可以推测该圆形断面为摩擦对焊过程中产生。同时，在芯部正中发现有一大块的夹杂物存在，经过能谱分析可知为氧化物的夹杂，同时氧化物夹杂也有沿圆周破碎迹象，可以推测处，裂纹源始于该大块的氧化物夹杂。

从图5中可以看出，同心圆断面区域存在有大量的细小的二次裂纹，该断面为典型的脆性断裂，说明在裂纹萌生初期在芯部存在有较大的应力，导致二次裂纹的出现。

图4 杆体侧断口，芯部扫描组织

图5 同心圆处裂纹扩展情况

3.6 横向拓展检测

为更全面的找到焊缝断裂的原因，对同炉批号及不同炉批号杆体材料焊后金相进行检测，从图6可以看出，同批次炉批号材料的焊缝中心部位有明显的偏析带，金相组织中也存在大量的马氏体和贝氏体组织。对比图7，不同炉批号的材料焊后组织无偏析带，且无马氏体组织。说明杆体来料对焊缝质量有重大影响。

图6 同炉批号杆体材料焊后金相检测

图7 不同炉批号杆体材料焊后金相检测

5、断裂原因分析

通过上述检测和相关调研综合分析，该焊缝起裂部位在芯部，由于存在C、Mn等成分的偏析，合金元素扩散较慢，导致芯部区域碳当量增多，焊接完成后芯部的组织在快速冷却的条件下生成大量的贝氏体和马氏体组织，贝氏体、马氏体在转变过程中的体积要大于奥氏体，因此会在轴向方向产生较大的组织拉应力。同时，在焊后冷却过程在轴向产生较大的拉应力，在热应力与组织应力的双重作用下，裂纹在芯部的氧化物夹杂处萌生，然后沿粗晶区进行扩展，直至断裂。

芯部同心圆状的断面组织形成原因可能是在摩擦焊过程中，在停车阶段立即施加了较大的顶锻压力，使得芯部的金属来不及被挤出留在杆件芯部，同时由于主轴惯性力的作用，使芯部的金属塑性流动呈同心圆状。通过过大的顶锻压力使芯部组织受到较大的压应力作用，从而使得贝氏体与马氏体在应力诱导作用下更容易析出，因此在冷却的过程中由于组织应力与热应力的作用下形成裂纹。推断在摩擦对焊冷却完成后在芯部就形成的微裂纹，因此在服役过程中，短时间内就发生断裂失效事故。

6、结论及改进措施

焊缝断裂的主要原因是杆件芯部存在块状氧化物夹杂以及大量的贝氏体与马氏体组织，在组织应力和热应力双重作用下在氧化物处开裂直至断裂。

改进措施：

1、联系原材料厂家，对杆件的加工工艺进行优化，降低芯部夹杂物的水平；

2、回司的原材料，对每个炉批号金相组织进行检测，合格的材料才能用于现场生产。

参考文献：

[1] 罗海霞，周阿芳，镀层对活塞杆连续驱动摩擦焊焊接质量的影响[A].液压气动与密封，2019.

[2] 彭志牛，王鸣华，连续摩擦焊接虚焊的改进方法.宝钢技术，2019(4).

[3] 中国机械工程学会焊接学会编．焊接手册．第一卷，焊接方法及设备，第三版［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１５．

[4] 范伟，摩擦焊机主轴断裂失效分析[J].机械设计与制造工程，2014(4)：43；