低碳钢油管铜钎焊接头疲劳断裂分析

孔德群　杨利　周建　周晓炜　王志勇

摘要：从断口分析、金相检验、化学分析等方面分析低碳钢油管断裂性质及其产生原因。油管与支架通过铜钎焊的方式连接在一起，由于钎焊温度控制不良，连接处的油管表面发生铜原子沿低碳钢晶界的偏聚与扩散，降低了其塑性与强度;另一方面，焊后冷速控制不良，导致焊缝附近的油管内部产生魏氏体铁素体。平台试验中油管钎焊区域承受较大的循环应力，焊缝外表面机械损伤处由于应力集中效应，在局部高应力作用下产生疲劳裂纹源，裂纹向油管扩展并导致服役早期开裂失效。

关键词：汽车发动机;油管;焊后冷却速度;铜钎焊;应力集中;疲劳断裂

中图分类号：TG454文献标志码：A文章编号：1001-2303（2020）05-0037-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.07

0 前言

焊接是現代汽车制造业中广泛应用的一种连接方法[1-2]。钎焊是指采用熔点比母材低的金属作为钎料，利用加热熔化的液态钎料与固态母材界面产生溶解、扩散或形成金属间化合物的相互作用，冷却凝固形成牢固的接头，从而将母材连接在一起的焊接方式[3]。它具有生产量大、高速低耗、焊接变形小、易操作的特点，适合汽车零部件的连接[4-6]，如全景天窗[7]、行李箱[8]、车身骨架[9]等白车身结构件及薄板覆盖件[1，4，6，10]，以及热交换器[11]等。在实际生产中，焊接参数的细微变化都可能影响钎焊的焊接质量[12-13]，所以要重视焊接质量的优化与控制。

汽车发动机油管开裂的原因多种多样，其原材料加工、生产制造、产品装配、服役使用中的任何一个环节质量控制不当，都可能会造成其开裂失效，例如内表面与外表面缺陷[14]、支架倒角处的应力集中[15]、高周疲劳开裂引起穿孔[16]等。文中研究了发动机油管在某平台试验中的疲劳断裂及其失效原因，协助客户从材料加工工艺与质量控制上提出针对性的改进措施，以期防止类似问题重复发生。

1 试验过程

试验采用某汽车零部件供应商生产的某型号发动机油管，材质为低碳钢Q235B，通过自动产线炉中钎焊工艺与低碳钢支架连接在一起（铜钎料纯度为99.95%），随后进行表面镀锌处理。在某平台试验时，该油管及其支架处于机械振动引起的循环应力状态，试验结束后发现油管发生宏观断裂，裂纹位于钎焊区域。

使用Keyence VHX-1000型体视学显微镜和Quanta FEG650型扫描电镜进行断口分析;在油管断裂位置附近的钎焊区域中间位置分别切取纵剖面与横截面的金相试样，进行磨抛处理，4%硝酸酒精腐蚀前后分别使用Zeiss Axio Imager M2m型显微镜进行观察，并拍照分析。油管经机械压力压平后磨去镀锌层，使用Spectro MaXx型直读式光谱仪进行化学成分检测。

2 试验结果与分析

2.1 断口观察

油管断裂位置在钎焊焊缝边缘，断口附近未见明显的塑性变形、腐蚀及机械损伤痕迹。采用体视学显微镜观察断口宏观形貌特征（见图1），发现断口较为平齐，断面有金属光泽，未见宏观材料缺陷;裂纹源区（箭头指示处）位于焊缝边缘外表面，扩展区呈放射状。裂纹源区宏观形貌如图2所示。

采用扫描电镜观察断口的微观形貌特征，断面未见异常夹杂物等缺陷，裂纹源区（见图3）及扩展区（见图4）均呈局部磨损状态，可见明显的疲劳条带形貌。疲劳条带间距较小（平均间距小于1 μm），具有高周疲劳的特征。

2.2 化学成分

光谱分析结果显示，油管的化学成分如表1所示，符合低碳钢板Q235B的材料规范要求（GB/T 5213-2008）。

2.3 金相检验

金相检验结果显示，焊缝及其附近金相组织为均匀的等轴铁素体+少量珠光体，在热影响区的油管壁厚中间部位发现粗大的针状魏氏体铁素体，如图5所示。魏氏体是一种过热缺陷组织，通常伴随奥氏体粗晶组织出现[17]。紧邻焊缝熔合区界面的局部热影响区在较高于Ac3温度时会快速产生粗晶奥氏体[18]，Q235B钢管中先共析铁素体从原奥氏体晶界沿一定的晶面往晶内生长，钢管壁厚中部位置局部析出针状魏氏体铁素体组织。而魏氏体组织则会使钢的力学性能尤其是韧性显著降低[17]，应制定合理的热处理工艺来消除。

焊缝处的铜/钢界面处存在铜钎料对母材的严重熔蚀现象，即铜钎料在高温下以晶界扩散的方式进入两侧的钢管母材与钢板母材，沿晶界析出有铜相，如图6所示。晶界上析出的网状第二相会破坏基体材料的连续性，易引起材料的脆性，且严重降低材料的疲劳强度，促进裂纹源的形成。进一步观察图5焊缝中部的钢管与支架之间无铜钎料，焊缝两侧母材已发生重结晶而熔合为一体（见图7），二者之间的缝隙基本消失。这说明钎焊工艺温度控制不良，以致实际焊接温度远超过工艺范围。

选择另一个在焊缝边缘有微裂纹的钢管，从焊缝沿油管圆周的中线处制取纵剖面金相试样，抛光态试样置于显微镜下可见一条裂纹，如图8所示，裂纹起源于焊缝区域的一侧，且裂纹由油管的外侧向内侧扩展延伸。这与图1所示失效油管的断口观察结果一致。

高倍显微镜下观察发现（见图9），裂纹源位置在钎焊之后且镀锌处理之前存在一处机械损伤，镀锌处理后锌层覆盖于损伤处。虽然表面损伤被镀锌层弥合，但仍处于材料不连续状态，当油管处于发动机测试的循环振动环境中形成应力集中效应。该位置产生局部高应力，逐渐萌生疲劳裂纹，并沿铜钎焊缝向油管一侧扩展。由于工艺不良导致的铜钎料沿晶界熔蚀从而降低材料性能，当裂纹扩展至铜/钢界面时，裂纹沿油管最表层晶粒的界面继续向油管内侧扩展。当扩展到油管壁厚中部时，铁素体魏氏体组织也会引起力学性能下降，因而裂纹可以轻易地在油管扩展，直至油管在服役早期发生疲劳断裂。

3 结论

文中探究了低碳钢油管断裂的性质及其产生原因，主要形成以下结论：

（1）油管疲勞裂纹源的形成主要与焊缝表面的机械损伤有关。应加强过程质量控制，避免由于生产上抓取工具或物流转运不当可能造成的机械损伤。

（2）钎焊温度及随后冷却速度控制不良，导致油管表面发生铜原子在低碳钢晶界处的熔合与偏聚，钢管内部产生魏氏体铁素体，降低了油管的力学性能。应加强工艺优化调整，避免钎焊晶界熔蚀与魏氏体铁素体的产生。

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