（武钢研究院，湖北 武汉 430080）

架桥机大臂钢板开裂分析

张彦文，张友登，王志奋

（武钢研究院，湖北 武汉 430080）

架桥机大臂钢板在使用过程中发现表面呈方形开裂，但远未达到设计使用寿命。钢板材料为低合金结构钢Q345，其综合力学性能良好。为了弄清钢板开裂原因，通过宏观观察、扫描电镜及能谱仪分析、光学显微分析等对开裂钢板进行了深入探讨，结果表明：钢板失效属于疲劳断裂，疲劳起源于焊缝夹渣，并沿着方形焊缝路径扩展。焊缝中亦存在马氏体组织，马氏体组织较脆，裂纹遇到这种组织也较容易扩展。因此，在循环使用应力作用下，起源于焊渣的疲劳裂纹沿焊缝不断扩展，最终导致钢板呈方形断裂失效。可通过改善焊接工艺、增加焊接线能量以及焊前预热处理等途径来防止裂纹产生。

焊缝；疲劳断裂；焊接夹渣；马氏体

0 前言

架桥机大臂长期在起重载荷较大的条件下工作，后发现架桥机臂钢板表面呈方形开裂。钢板材料为Q345，Q345钢综合力学性能良好，可用于中低压容器、油罐、车辆、起重机、矿山机械、电站、桥梁等承受动载荷的结构、机械零件、建筑结构、一般金属结构件在热轧或正火状态使用[1]，化学成分如表1所示。为了弄清架桥机钢板开裂原因，采用金相显微镜、QuantaFEG450扫描电镜及能谱仪进行相关分析。

表1 Q345化学成分Table 1 Q345 chemical composition %

1 宏观观察

断裂样宏观形貌见图1，呈倒U形开裂（A、B、C箭头所指分别为3条不同走向的裂纹），图2为裂纹A宏观放大图，裂纹均位于构件加强筋焊缝部位（焊缝位于图1下表面，受现场环境限制，未拍摄焊缝正面形貌）。切开试样后，露出开裂面，A部位开裂面宏观形貌见图3，裂纹中部裂纹开裂面见图4，可见断面锈蚀严重，断面无明显塑性变形。

图1 开裂钢板宏观形貌Fig.1 Macrograph of cracked steel plate

图2 A部位裂纹放大Fig.2 Magnification of crack A

图3 A部位边部断面Fig.3 End crack fracture at part A

图4 中部裂纹断面Fig.4 Middle crack cracture

2 扫描电镜观察

酸洗除锈后在电镜下观察断口，可见A部位断面焊缝处存在大量焊渣，见图5、图6，能谱分析见图7。该部位可见明显的疲劳扩展特征，疲劳断裂源起源于夹渣部位，见图8、图9。

图5 焊渣Fig.5 Welding slag

图6 焊渣Fig.6 Welding slag

3 低倍分析

在A、B部位平行断口及垂直断口取截面截取低倍热酸蚀检验，纵横截面上均可观察到焊缝组织存在。A、B部位断口横截面焊缝组织见图10、图11。这也证实了裂纹是沿着焊缝扩展。从焊缝形态及结构形状的复杂性推测，焊接方法为焊条电弧焊。

4 光学显微分析

在A、B、C断口附近取金相试样进行观察，钢中夹杂物为A2、B1.5，见图12和图13。断口附近的截面上均有裂纹、孔洞、夹渣缺陷存在，裂纹及空隙缺陷内均嵌有大量氧化产物，A部位的孔洞及裂纹形貌如图14～图17所示。

试样抛光面经3%的硝酸酒精腐蚀后在显微镜下观察：裂纹几乎均沿着焊缝根部的熔合线区域扩展，见图18、图19。A、B、C部位的热影响区局部均存在马氏体+贝氏体组织，见图20～22。

图7 焊渣能谱分析Fig.7 Energy spectrum of welding slag

图8 疲劳扩展Fig.8 Fatigue propagation

图9 疲劳扩展Fig.9 Fatigue propagation

图10 A部位低倍检验Fig.10 Macroscopic of part A

图11 B部位低倍检验Fig.11 Macroscopic of part B

在A部位另一侧的热影响区组织为贝氏体+屈氏体，见图23。A、B、C部位的基材组织均为铁素体+珠光体，呈带状分布，见图24，带状级别为3级。焊缝组织均为先共析铁素体-针状铁素体，见图25。

5 分析讨论

架桥机臂钢板呈方形开裂，且开裂部位与焊缝走向一致。观察开裂断面，发现断裂因疲劳引起，疲劳源位于焊缝夹渣部位。夹渣是一种焊接缺陷。焊接缺陷对焊接结构承载能力影响显著，因为缺陷减小了结构承载面的有效截面积，并且在缺陷周围产生应力集中；夹渣是由于焊接时未能逸出或者多道焊时清渣不干净造成[2-3]。不同部位取样观察，均发现焊缝热影响区存在马氏体组织，局部存在魏氏体组织，这些脆性组织导致了疲劳裂纹更易于扩展。

图12 硫化物夹杂Fig.12 Sulfide inclusion

图13 氧化物夹杂Fig.13 Oxide inclusion

图14 A部位空隙Fig.14 Pore at part A

图15 A部位氧化产物放大Fig.15 Magnification of Oxidation product at part A

图16 A部位裂纹尾端Fig.16 End of crack at part A

图17 图16放大Fig.17 Magnification of Fig.16

图18 A部位裂纹附近组织Fig.18 Structure near crack at part A

图19 B部位裂纹附近组织Fig.19 Structure near crack at part B

与低碳钢相比，Q345在连续冷却时，CCT曲线上珠光体转变右移较多，快冷过程中，铁素体析出后剩下的富碳奥氏体来不及转变为珠光体，而是转变为硬度较高的贝氏体和马氏体。因此，为了避免焊接时出现脆硬组织，除了选择正确的焊接材料外，还应增加线能量即加大热输入，以降低冷速，避免形成脆硬组织，同时也利于焊渣浮出[4]。另外，预热处理也可改善焊缝组织性能[4-5]。焊条电弧焊时，适当摆动焊条有利于焊渣的浮出。

图21 B部位热影响区组织Fig.21 Structure of heat-affected at part B

图22 C部位热影响区组织Fig.22 Structure of heat-affected at part C

图23 A部位另一侧热影响区组织Fig.23 Other side structure of heat-affected at part A

图24 试样的基材组织Fig.24 Base material structure

图25 A、B、C部位焊缝组织Fig.25 weld seam structure

6 结论

由于焊缝质量较差，存在焊缝夹渣、孔洞及非正常组织等缺陷，该部位极易形成疲劳裂纹源，在应力作用下裂纹沿焊缝不断扩展，最终导致大臂断裂失效。可通过改善焊接工艺、增加焊接线能量以及焊前预热处理等途径来预防。

[1]姬庆涛，化三兵，王瑶，等.Q345钢焊接裂纹分析[J].热加工工艺，2013，42（9）：232-233.

[2]张彦华.焊接疲劳分析[M].北京：化学工业出版社，2013：87-91.

[3]张辉宇，张瑞轩.油气长输管道裂纹缺陷产生原因[J].焊接，2006（5）：54-56.

[4]李亚江.焊接冶金学[M].北京：机械工业出版社，2013：49-67.

[5]郝建军，马璐萍.熔焊基础与金属材料焊接[M].北京：北京理工大学出版社，2013.

Cracks analysis of steel plate of large arm on bridging machine

ZHANG Yanwen，ZHANG Youdeng，WANG Zhifen
（Research and Development Center of Wuhan Iron and Steel Company，Wuhan 430080，China）

Square cracks are found on the surface of steel plate of large arm on bridging machine in use，but it not reach the design service life.The steel plate material is low alloy steel Q345 and its comprehensive mechanical properties are good.In order to find why the cracks generate，the sample is analyzed by the means of macroscopic observation，scanning electronic microscope，energy disperse spectroscopy and optical microscope.The result shows that the failure of steel plate is fatigue fracture，and the fatigue originates from weld slag inclusion and extends along the square weld path.There is also brittle martensitic structure in the welds.Cracks are also easier to extend in this structure.Therefore，in the effect of cycle use stress，fatigue cracks extend along the weld，which leads to steel plate failures in the end.It can be prevented by improving welding technology，increasing welding heat input and preheating treatment before welding.

weld；fatigue fracture；welding slag inclusion；martensite

TG457.11

B

1001-2303（2017）09-0101-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.09.22

本文参考文献引用格式：张彦文，张友登，王志奋.架桥机大臂钢板开裂分析[J].电焊机，2017，47（09）：101-105.

2017-04-29

张彦文（1972—），男，教授级高工，博士，主要从事焊接工艺研究及金属材料失效分析工作。E-mail：zyw8372@163.com。