热水器内胆水压疲劳试验开裂原因分析

2018-11-28牟祖茂宋祖峰

安徽冶金科技职业学院学报 2018年4期

杨峥，李进，牟祖茂，宋祖峰

(马钢股份公司技术中心安徽马鞍山 243000)

热水器内胆是热水器的主体部件，作为储水并将水在其内进行加热的容器，由于水的反复进出及加热冷却，内胆将长期处于一个压力变化的环境之中工作。因此，生产厂在生产热水器内胆时，将会进行水压疲劳试验，通过以一定的频率改变热水器内胆内的水压，来检测热水器内胆的承压能力。

某厂生产的热水器内胆，采用三段式埋弧焊接，产品焊缝示意图见图1，每个内胆上有直焊缝一条，弧形焊缝两条，在进行水压疲劳试验时，多次发生直焊缝开裂漏水事件。本文通过对热水器内胆裂纹的检测与分析，探讨热水器水压疲劳试验开裂的主要原因。

1 取样及试验方法

观察焊缝裂纹区域，可见焊缝一侧存在长度约100 mm左右的裂纹。在焊缝开口最大处取1#试样，在台式钳上压断，用以观察断口形貌。在焊缝裂纹区域以线切割加工的方式切取两块金相试样，用以从截面观察焊缝裂纹形貌及裂纹附近组织形态。在远离焊缝处切取4#、5#试样，分别用以进行化学成分分析和拉伸力学性能检验。取样示意图见图2。

2 试验结果与分析

2.1 化学成分

化学成分分析结果见表1，未见异常。

表1 化学成分(%)

2.2 拉伸力学性能

拉伸力学性能试验结果见表2，该热水器内胆的力学性能符合产品要求。

表2 力学性能

2.3 断口观察

用扫描电镜对1#裂纹压断断口进行观察，断裂源于热水器内胆外侧面，如图3(a)所示。断裂源区断口形貌为脆性准解理，未见夹杂等缺陷，如图3(b)所示。断裂扩展区为脆性疲劳断口形貌，可见明显的疲劳辉纹，如图3(c)所示。断口显示，裂纹是在热水器内胆外表面形成后，内胆中不断变化的水压周期性的改变裂纹两侧的应力，使裂纹以疲劳断裂的方式不断向热水器内表面扩展的。

图3 断口微观形貌

2.4 金相检验

将2#和3#试样镶嵌后，用240#—600#—1200#水磨氧化铝砂纸磨平后抛光，并用4%硝酸酒精浸蚀后，观察焊缝、裂纹形态及试样各处组织。图4(a)、4(b)为2#试样焊缝低倍及裂纹，图5(a)、5(b)为3#试样焊缝低倍及裂纹，两个试样的裂纹均位于一侧焊肉与基板连接处，而另一侧则未见裂纹。裂纹所在的连接处，其焊肉余高与基板之间夹角与未见裂纹一侧相比，均显得更加尖锐，此处更易产生应力集中现象。

此外，从裂纹与焊缝的位置关系来看，我们还可以发现，裂纹起源于焊缝与热影响区的交界处，如图6所示。焊缝处组织为铁素体+贝氏体+少量珠光体，如图7所示，热影响区组织为铁素体+珠光体+少量贝氏体，如图8所示。裂纹两侧组织存在明显差异，此处会产生一定的组织应力。试样基体组织为铁素体+少量珠光体+少量渗碳体，未见异常组织。

图4 2#试样焊缝低倍与裂纹形貌

图5 3#试样焊缝低倍与裂纹形貌

图6 裂纹与附近组织 100×

图7 焊缝组织 500X

图8 热影响区组织 500X

3 讨论分析

由以上检验结果可见，该热水器内胆的化学成分、力学性能均符合产品要求，基体金相组织亦未见异常。断裂源于焊肉与基体交界处，此处也是焊缝与热影响区的交界处，因此这里存在由焊缝与热影响区组织差异带来的组织应力，并且当热水器内胆在水压疲劳试验过程中，受到水压膨胀作用力时，在焊肉与基体所构成的尖角处容易产生应力集中，因此该处属于应力高度集中区域。当该处应力超出材料所能承担的范围时，就会形成裂纹源，并在周期变化的水压驱动下，形成疲劳裂纹扩展。