案例：焊接芯轴失效分析

汽车套筒/芯轴焊缝断口分析补充材料

某公司送来断裂失效芯轴样品，据该公司相关人员介绍断裂失效发生在焊缝位置。送检断裂芯轴样品宏观形貌如图1和图2所示。要求分析套筒与芯轴焊缝在使用过程中发生断裂的原因。限于断裂后失效件的采集受限，厂方仅送检一半失效件（芯轴）；另外从已焊接完成而未断的实际产品上线切割制取了含完整焊缝的试样，如图3所示。

图1 送检样品宏观形貌

图2 送检样品图1中的局部放大

A

B

A

B

（a）焊缝正面（b）含完整焊缝试样的侧面

图3 含完整焊缝的试样

1. 送检焊缝

套筒材料为27SiMn钢，芯轴材料为20#钢，其化学成分以及力学性能由该公司提供，具体数值见下表。

表1 27SiMn钢的化学成分（质量分数）（%）

试验项目 C Mn Si S P Cr Ni Cu

保证值

0.24

~0.32

1.1

~1.4

1.1

~1.4

≤

0.035

≤

0.035

≤0.25 ≤0.30 ≤0.25

表2 27SiMn钢的力学性能

试验项目σb（MPa）σs（MPa）A（%）Z

一般值980 835 40 12

表3 20#钢化学成分（质量分数）（%）

试验项目 C Mn Si S P Cr Ni Cu

保证值

0.17

~0.24

0.35

~0.65

0.17

~0.37

≤

0.035

≤

0.035

≤0.25 ≤0.25 ≤0.25

表4 20#钢的力学性能

试验项目σb（MPa）σs（MPa）A（%）Z

一般值370-520 215 27 24 套筒与芯轴的焊接结构如图所示，坡口形式见图。焊接采用Φ1.2焊丝

JM-58，焊接时适宜的焊接参数为I=235~300A，U=28~32V，Q=15~20I/min。

图3 芯轴套筒焊接结构形式剖面图

2. 试样制备及检测方法

从送检的断裂失效件和厂家送检的完整焊缝上分别截取断口、金相试样、硬度试样和化学成分试样分别进行分析。断裂面经丙酮超声波清洗后，采用JXA-8800R型型电子探针对断口形貌进行观察。金相试样制备是在金相砂纸上磨至2000#，然后抛光，洗净后用4%硝酸酒精溶液浸蚀，在VHX-600K型超景深三维显微系统下进行组织和宏观断口形貌观察。采用HVS-10ZC型硬度计对送检样品进行硬度测试。采用GP1000光谱分析仪器对送检的原材料进行化学成分分析。

3. 初步化学成分分析

利用GP1000光谱分析仪器对送检的完整焊缝及两边母材进行化学成分分

析，测试结果见表5。

表5 送检样品焊缝及母材的化学成分测定结果

试样 C Si Mn P S Cr Ni Cu

20#钢0.478 0.238 0.72 0.016 0.013 0.064 <0.001 0.005 27SiMn0.0304 1.146 1.337 0.013 0.011 0.095 0.02 0.108 焊缝0.207 0.647 1.113 0.015 0.011 0.065 0.002 0.065

断裂失效分析的分析思路:在分析之前应该尽可能得到关于心轴断裂的背景资料，比如材料成分及性能的保证值、焊接结构及工艺、失效部位的宏观形貌等。然后对心轴断口形貌、两种基体及焊材材质成分、焊接结构、断口金相、硬度进行分析研究，寻找心轴断裂的原因。收集背景资料时应遵循如下原则：实用性；内容上要尽可能丰富；新信息、新动向；既要科学性、客观性，又要有典型性、代表性。