失效分析:316L型不锈钢圆周对接焊缝的铜致开裂

在本案例研究中,一个新建的不锈钢管道焊接接头出现裂纹。无损检测显示在焊缝金属、熔合边界和热影响 (HAZ) 区域存在多处裂纹。金相分析表明,焊缝中的裂纹形态为穿晶裂纹,HAZ 中的裂纹形态为沿晶裂纹。在裂纹位置内和附近也观察到富含铜的区域。裂纹表面的SEM EDS 分析证实了沿晶裂纹和铜沉积。由于焊缝金属化学成分符合ER316L 的要求,因此排除了不正确焊接材料 (ERNiCu-7) 的可能性。

从这个案例研究中得出的结论是,工件表面的铜颗粒污染物在焊接过程中熔化并扩散到熔合边界,削弱了奥氏体晶界。液态金属(铜)降低了晶界内的结合强度,导致晶间/枝晶间裂纹的形成。从客户提供的信息中无法确定铜的来源,但可能包括使用铜或铜合金基焊接夹具、在管孔上使用铜靴、管座或焊缝上的轴承材料制备装置。

案例背景:从客户那里收到的信息显示,不锈钢管在圆周的不同位置上出现了沿焊缝的裂纹。焊接完成后,现场染料渗透检查发现外径有裂纹状迹象。客户进行的进一步射线照相检查证实了焊缝和热影响区存在裂纹。ASTM A312 TP316L 不锈钢管使用316L 填充焊丝焊接,使用的焊接工艺是GTAW。由于管道焊接接头开裂,客户在管道系统安装完成后担心、并质疑所有现场焊接接头是否存在相同的开裂问题。

目视检查Element 专家首先将实验室收到的管段切成两半,并在外径 (OD) 和内径 (ID) 处进行染料渗透测试以定位缺陷区域。渗透测试后,在焊趾和热影响区 (HAZ) 均观察到多个线性迹象。超过一半的管道被发现有缺陷。仔细观察内径侧缺陷位置可以发现焊缝和热影响区出现裂纹。

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宏观检查:为了观察裂纹位置的横截面,从裂纹区域取出样品,垂直于焊缝,进行金相评估。宏观分析显示,焊趾处出现裂纹,随后裂纹通过焊缝扩展。在热影响区还观察到一条裂纹,该裂纹通过热影响区向管道外径侧扩展。低倍体视显微镜分析显示 HAZ 裂纹垂直于焊缝。发现熔合线裂纹的方向平行于焊缝。

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微观结构分析:Element 专家发现焊缝组织为完全奥氏体组织,确定了奥氏体凝固模式。裂纹焊接区域几乎不存在自由铁素体。发现焊缝的凝固结构为蜂窝状、树枝状和柱状混合模式。在焊缝中观察到的裂纹主要位于将一组具有一个方向的枝晶与另一个方向分开的凝固晶界上。在热影响区观察到沿晶开裂。在截取的截面中没有观察到奥氏体晶界敏化的迹象。在焊缝和热影响区, 裂纹内和沿枝晶边界均观察到铜色区域,表明焊缝可能存在铜污染。

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化学分析:对焊缝根部进行化学分析以确定焊缝的化学成分,发现焊接金属的材料成分符合 SFA 5.9 ER316L 的要求。

扫描电子显微镜 (SEM)Element专家打开焊缝处的裂纹,采用扫描电子显微镜(SEM) 在高倍下分析裂纹面。暴露的表面显示,焊缝裂纹通常遵循穿晶开裂模式,并且热影响区开裂呈“冰糖”型结构,是沿晶开裂的典型特征。SEM 证实了焊缝和HAZ 的沿晶裂纹,在显微组织检查中也观察到了此现象。

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能量色散 X 射线光谱 (EDS) 分析:Element专家打开焊缝处的裂纹,采用扫描电子显微镜(SEM) 在高倍下分析裂纹面。暴露的表面显示,焊缝裂纹通常遵循穿晶开裂模式,并且热影响区开裂呈“冰糖”型结构,是沿晶开裂的典型特征。SEM 证实了焊缝和HAZ 的沿晶裂纹,在显微组织检查中也观察到了此现象。

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失效分析结论

金相分析显示,焊缝处沿凝固晶界出现裂纹,热影响区出现沿晶裂纹。在裂纹内和沿枝晶边界存在铜色区域,结合 SEM/EDS 分析,确认裂纹形态为“脆性”类型的穿晶裂纹和沿晶裂纹。EDS 显示裂纹表面存在较高的铜含量。化学分析结果排除了使用错误填充线(ErNiCu-7)的可能性。根据所有分析结果可以看出,焊缝和热影响区的裂纹是由于铜引起的热裂纹现象,也称为铜污染开裂 (CCC)。液态金属脆化已被确定为造成CCC 的机制,当熔融铜在凝固过程中渗入、渗透并削弱奥氏体晶界时,就会发生开裂。受到冷却过程中的残余应力或施加的应力的影响,受损的边界随后断裂,形成几乎没有任何残余晶粒变形迹象的裂纹。此次失效分析中铜污染的来源很可能是使用了铜或铜合金基焊接附件,从而在工件表面留下了铜的痕迹。

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