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摘要：某高溫合金测压导管在氦质谱检漏时发现，其一侧焊缝漏率超标，采用化学成分分析、金相检验、断口分析等方法对漏率超标产生的原因进行了分析。结果表明：由于焊接时导管内部未及时通氩气保护，导致焊缝内表面严重氧化，在进行二次焊接时，焊缝中心外表面形成了热裂纹。导管泄漏主要是由于其焊缝内表面大量氧化物降低了焊缝的强度，以及焊缝外表面曾被打磨，打磨处形成应力集中，在导管液压气密试验和反复装配等作用下，热裂纹发生塑性扩展形成了贯穿壁厚的通道。
关键词：高温合金;导管;热裂纹;漏率超标
0 前言
GH1140高温合金和GH1131高温合金都是固熔强化的铁镍基变形高温合金，具有中等的热强性和良好的热疲劳、组织稳定性及焊接性能，适宜于制造850 ℃以下的高温部件。某高温合金测压导管在氦质谱正压检漏时发现，接管嘴一侧焊缝漏率超标，不满足设计文件要求，对导管上的焊缝进行皂泡法气密检查，发现该焊缝处有气泡产生。该测压导管由管子、接管嘴和管接头焊接而成[1]，结构如图1所示，主要生产工艺流程为：下料→除油→内窥检查→弯曲成型→酸洗→焊接→X射线检测→酸洗→强度、气密试验→硝酸钝化→内窥检查→包装→交付。其中管子材料为固熔态GH1140高温合金，接管嘴、管接头材料为固熔态GH1131高温合金，采用不填丝全位置自动钨极氩弧焊焊接工艺[2]。为查明该测压导管产生漏率超标的原因，本文对导管漏率超标焊缝取样进行了检验和失效分析[3]。
1 理化检验
1.1 宏观观察
经目视观察，导管焊缝区域未见明显的损伤痕迹，采用体式显微镜进行观察，可见焊缝外表面存在明显打磨痕迹，如图2所示，未见明显的裂纹或腐蚀痕迹存在。采用机械方法将焊缝沿纵向剖开对其内表面进行检查，未见明显裂纹、孔洞和渗漏通道[4]。
1.2 微观观察
将焊缝置于扫描电镜观察其内、外表面，在外表面焊缝中心区域可见一条周向裂纹，如图3所示，裂纹张口较小，长约1.0 mm，形态曲折，断续分布，未见分叉裂纹，在其附近存在一处约2.0 mm×1.0 mm的疏松区域，进一步观察该疏松区域呈自由表面形貌，其他区域均可见打磨痕迹。焊缝内表面呈氧化形貌，对该区域进行化学成分分析，主要含有O、Fe、Cr、Ti、Al、Mn等元素，微观形貌如图4所示。对焊缝及两侧母材进行化学成分分析，未见异常元素存在，两侧母材所含主元素及含量均符合相关标准对GH1140、GH1131高温合金化学成分的技术要求。
1.3 力学性能测试
选取与漏率超标测压导管同炉批管子，在其上切取纵向拉伸试样进行拉伸试验，结果测得抗拉强度σb=690 MPa，伸长率δ5=47.5%，相关标准[7]要求GH1140高温合金的抗拉强度σb≥635 MPa，伸长率δ5≥40%，可见该测压导管的拉伸试验结果高于标准要求，符合相关标准对GH1140高温合金的技术要求。
1.4 断口分析
采用机械的方法将裂纹打开进行观察，扫描电镜内低倍观察可见裂纹处断面存在两区域，靠近外表面（深约0.7 mm）呈亮灰色，断面粗糙，呈自由表面状，未见断裂特征存在;靠近内表面区域（深约为0.8 mm）为黑灰色氧化皮，断口形貌如图5所示。
将断面置于扫描电镜内进行微观观察，可见自由表面区域（靠近外表面一侧区域）大部分区域呈类似土豆状的熔融形态及磨损形貌，微观形貌如图6所示。端面下方大部分区域呈氧化形貌，微观形貌如图7所示。局部区域及靠近最外侧表面区域呈韧窝形貌，最外侧韧窝区最薄处厚度约16 μm，韧窝区应为塑性扩展瞬间断开区域，微观形貌如图8所示。
1.5 金相分析
在焊缝未泄漏区域沿纵向制备金相试样，经镶样、磨光、抛光、电解腐蚀后进行观察，可见焊缝区域存在多次焊接痕迹，焊缝中心存在多条断续分布的焊接热裂纹缺陷，其中最大一处焊接热裂纹长约0.6 mm。焊缝组织为枝状晶组织，两侧母材均为奥氏体组织，金相组织形貌如图9所示，焊接热裂纹组织如图10所示。对焊缝、两侧母材及熔合线进行显微硬度测试（随机取3点），测试值如表1所示，测试结果（HV0.2）未见异常[5]。
2 综合分析
通过对上述理化检验结果分析，泄漏测压导管的化学成分和力学性能均符合相关标准对GH1140、GH1131高温合金的技术要求[6]。断口显微观察显示该测压导管焊缝内表面严重氧化，存在约0.8 mm厚黑灰色氧化皮，说明在焊接过程中导管内部保护气保护不足，金相检验显示该测压导管焊缝外表面存在热裂纹焊接缺陷，说明在焊接过程中焊接工艺保证措施控制不当。
GH1140、GH1131高温合金导管在焊接时，导管内部需通氩气保护，否则焊缝易受高温作用而发生氧化，所产生的氧化物会降低材料的强度，焊接热裂纹下面淤积氧化物，在外界应力作用下，它起着楔子的作用，会大大加速裂纹的扩展。根据焊接工艺要求，高温合金导管焊接时要求通1.5～2.0 L/min氩气对焊缝内部进行保护，从焊缝内表面成型宏观观察及微观观察，可见产生氧化物的原因应为导管焊接时内部未及时通氩气保护所产生。
GH1140、GH1131两种高温合金焊接后焊缝成分是两个合金的互溶体，熔化后含碳量平均值高于GH1131高温合金的含碳量要求，大量碳扩散到GH1131高温合金的热影响区，与固溶态GH1131高温合金中的W、Nb、Mo、V等强碳化物形成元素形成碳化物，大量碳化物形核长大，发生不连续脱溶，形成脆性界面，使得焊缝容易开裂[7]。
从断口的宏观、微观分析可见，该测压导管焊缝进行了二次焊接，由于焊缝外表面过热，在高温条件下焊缝中心析出大量碳化物，合金元素生成低熔点共晶体，随着焊缝金属冷却结晶不断进行，已凝固的晶粒相对较多，但是残存在晶界处的低熔点共晶物却尚未凝固，并呈液态薄膜状散布在晶粒表面，阻断了一些晶粒之间的相互联系，冷却时，在凝固收缩所引起的拉伸应力作用下，残余液体金属不能及时填充空位，于是在晶粒边界处形成了热裂纹焊接缺陷。
3 结论及措施
导管泄漏主要是由于其焊缝内表面大量氧化物降低了焊缝的强度，以及焊缝外表面存在打磨痕迹，在打磨后残留的痕迹处形成应力集中，在导管液压气密试验反复装配和机械振动等作用下，焊缝外表面热裂纹发生塑性扩展形成了贯穿壁厚的通道[8]。
建议设计制造专用工装，保证气瓶同时对导管内、外表面通氩气，防止操作者误操作导致导管内表面不通氩气或延迟通气;同时提高导管焊缝内部质量内窥检查要求，取消原工艺允许导管焊缝补焊两次及焊缝打磨修整的要求，要求全位置自动焊接导管一次焊接成形，不允许补焊，不允许打磨;出现焊接缺陷时，切除焊接接头及热影响区，重新更换接头焊接。
参考文献：
[1] 田锡唐. 焊接结构[M]. 北京：机械工业出版社，1997.
[2] 王宗杰. 熔焊方法及设备[M]. 北京：机械工业出版社，2009.
[3] 张栋，钟培道，陶春虎，等. 失效分析[M]. 北京：国防工业出版社，2004.
[4] 周达，沈一龙. 焊接试验[M]. 北京：国防工业出版社，1985.
[5] 张文钺. 焊接冶金学[M]. 北京：机械工业出版社，1995.
[6] YB/T 5245-1993，普通承力件用高温合金热轧和锻制棒材[S].
[7] GJB 2297A-2008，航空用高温合金冷拔（轧）无缝管规范[S]. 国防科工委军标出版发行部出版，2008.
[8] QJ 2865A-2014，导管焊接技术要求[S]. 中国航天标准化研究所出版，2015.
关键词：高温合金;导管;热裂纹;漏率超标
0 前言
GH1140高温合金和GH1131高温合金都是固熔强化的铁镍基变形高温合金，具有中等的热强性和良好的热疲劳、组织稳定性及焊接性能，适宜于制造850 ℃以下的高温部件。某高温合金测压导管在氦质谱正压检漏时发现，接管嘴一侧焊缝漏率超标，不满足设计文件要求，对导管上的焊缝进行皂泡法气密检查，发现该焊缝处有气泡产生。该测压导管由管子、接管嘴和管接头焊接而成[1]，结构如图1所示，主要生产工艺流程为：下料→除油→内窥检查→弯曲成型→酸洗→焊接→X射线检测→酸洗→强度、气密试验→硝酸钝化→内窥检查→包装→交付。其中管子材料为固熔态GH1140高温合金，接管嘴、管接头材料为固熔态GH1131高温合金，采用不填丝全位置自动钨极氩弧焊焊接工艺[2]。为查明该测压导管产生漏率超标的原因，本文对导管漏率超标焊缝取样进行了检验和失效分析[3]。
1 理化检验
1.1 宏观观察
经目视观察，导管焊缝区域未见明显的损伤痕迹，采用体式显微镜进行观察，可见焊缝外表面存在明显打磨痕迹，如图2所示，未见明显的裂纹或腐蚀痕迹存在。采用机械方法将焊缝沿纵向剖开对其内表面进行检查，未见明显裂纹、孔洞和渗漏通道[4]。
1.2 微观观察
将焊缝置于扫描电镜观察其内、外表面，在外表面焊缝中心区域可见一条周向裂纹，如图3所示，裂纹张口较小，长约1.0 mm，形态曲折，断续分布，未见分叉裂纹，在其附近存在一处约2.0 mm×1.0 mm的疏松区域，进一步观察该疏松区域呈自由表面形貌，其他区域均可见打磨痕迹。焊缝内表面呈氧化形貌，对该区域进行化学成分分析，主要含有O、Fe、Cr、Ti、Al、Mn等元素，微观形貌如图4所示。对焊缝及两侧母材进行化学成分分析，未见异常元素存在，两侧母材所含主元素及含量均符合相关标准对GH1140、GH1131高温合金化学成分的技术要求。
1.3 力学性能测试
选取与漏率超标测压导管同炉批管子，在其上切取纵向拉伸试样进行拉伸试验，结果测得抗拉强度σb=690 MPa，伸长率δ5=47.5%，相关标准[7]要求GH1140高温合金的抗拉强度σb≥635 MPa，伸长率δ5≥40%，可见该测压导管的拉伸试验结果高于标准要求，符合相关标准对GH1140高温合金的技术要求。
1.4 断口分析
采用机械的方法将裂纹打开进行观察，扫描电镜内低倍观察可见裂纹处断面存在两区域，靠近外表面（深约0.7 mm）呈亮灰色，断面粗糙，呈自由表面状，未见断裂特征存在;靠近内表面区域（深约为0.8 mm）为黑灰色氧化皮，断口形貌如图5所示。
将断面置于扫描电镜内进行微观观察，可见自由表面区域（靠近外表面一侧区域）大部分区域呈类似土豆状的熔融形态及磨损形貌，微观形貌如图6所示。端面下方大部分区域呈氧化形貌，微观形貌如图7所示。局部区域及靠近最外侧表面区域呈韧窝形貌，最外侧韧窝区最薄处厚度约16 μm，韧窝区应为塑性扩展瞬间断开区域，微观形貌如图8所示。
1.5 金相分析
在焊缝未泄漏区域沿纵向制备金相试样，经镶样、磨光、抛光、电解腐蚀后进行观察，可见焊缝区域存在多次焊接痕迹，焊缝中心存在多条断续分布的焊接热裂纹缺陷，其中最大一处焊接热裂纹长约0.6 mm。焊缝组织为枝状晶组织，两侧母材均为奥氏体组织，金相组织形貌如图9所示，焊接热裂纹组织如图10所示。对焊缝、两侧母材及熔合线进行显微硬度测试（随机取3点），测试值如表1所示，测试结果（HV0.2）未见异常[5]。
2 综合分析
通过对上述理化检验结果分析，泄漏测压导管的化学成分和力学性能均符合相关标准对GH1140、GH1131高温合金的技术要求[6]。断口显微观察显示该测压导管焊缝内表面严重氧化，存在约0.8 mm厚黑灰色氧化皮，说明在焊接过程中导管内部保护气保护不足，金相检验显示该测压导管焊缝外表面存在热裂纹焊接缺陷，说明在焊接过程中焊接工艺保证措施控制不当。
GH1140、GH1131高温合金导管在焊接时，导管内部需通氩气保护，否则焊缝易受高温作用而发生氧化，所产生的氧化物会降低材料的强度，焊接热裂纹下面淤积氧化物，在外界应力作用下，它起着楔子的作用，会大大加速裂纹的扩展。根据焊接工艺要求，高温合金导管焊接时要求通1.5～2.0 L/min氩气对焊缝内部进行保护，从焊缝内表面成型宏观观察及微观观察，可见产生氧化物的原因应为导管焊接时内部未及时通氩气保护所产生。
GH1140、GH1131两种高温合金焊接后焊缝成分是两个合金的互溶体，熔化后含碳量平均值高于GH1131高温合金的含碳量要求，大量碳扩散到GH1131高温合金的热影响区，与固溶态GH1131高温合金中的W、Nb、Mo、V等强碳化物形成元素形成碳化物，大量碳化物形核长大，发生不连续脱溶，形成脆性界面，使得焊缝容易开裂[7]。
从断口的宏观、微观分析可见，该测压导管焊缝进行了二次焊接，由于焊缝外表面过热，在高温条件下焊缝中心析出大量碳化物，合金元素生成低熔点共晶体，随着焊缝金属冷却结晶不断进行，已凝固的晶粒相对较多，但是残存在晶界处的低熔点共晶物却尚未凝固，并呈液态薄膜状散布在晶粒表面，阻断了一些晶粒之间的相互联系，冷却时，在凝固收缩所引起的拉伸应力作用下，残余液体金属不能及时填充空位，于是在晶粒边界处形成了热裂纹焊接缺陷。
3 结论及措施
导管泄漏主要是由于其焊缝内表面大量氧化物降低了焊缝的强度，以及焊缝外表面存在打磨痕迹，在打磨后残留的痕迹处形成应力集中，在导管液压气密试验反复装配和机械振动等作用下，焊缝外表面热裂纹发生塑性扩展形成了贯穿壁厚的通道[8]。
建议设计制造专用工装，保证气瓶同时对导管内、外表面通氩气，防止操作者误操作导致导管内表面不通氩气或延迟通气;同时提高导管焊缝内部质量内窥检查要求，取消原工艺允许导管焊缝补焊两次及焊缝打磨修整的要求，要求全位置自动焊接导管一次焊接成形，不允许补焊，不允许打磨;出现焊接缺陷时，切除焊接接头及热影响区，重新更换接头焊接。
参考文献：
[1] 田锡唐. 焊接结构[M]. 北京：机械工业出版社，1997.
[2] 王宗杰. 熔焊方法及设备[M]. 北京：机械工业出版社，2009.
[3] 张栋，钟培道，陶春虎，等. 失效分析[M]. 北京：国防工业出版社，2004.
[4] 周达，沈一龙. 焊接试验[M]. 北京：国防工业出版社，1985.
[5] 张文钺. 焊接冶金学[M]. 北京：机械工业出版社，1995.
[6] YB/T 5245-1993，普通承力件用高温合金热轧和锻制棒材[S].
[7] GJB 2297A-2008，航空用高温合金冷拔（轧）无缝管规范[S]. 国防科工委军标出版发行部出版，2008.
[8] QJ 2865A-2014，导管焊接技术要求[S]. 中国航天标准化研究所出版，2015.