波紋管是一種帶橫向波紋的圓柱形薄壁彈性殼體,其生產歷史已有一百多年。直到第二次世界大戰時期才用作儀器、儀表的彈性敏感元件和各類管道的聯結元件,現已廣泛用于礦山、石油、化工、冶金、電力、熱力、航海、航天等工程設備中，起密封、吸振、降噪、儲能、熱補償和介質隔離作用。
波紋管有多種形式就波的形狀而言,以U型波紋管應用廣泛,其次還有C型、Ω型、矩形和S型等;就層數而言,則分為單層和多層波紋管。
本例針對某機型機頭與容器間壁厚為0.2mm，運行2000多小時發生泄漏的單層U型波紋管，使用金相顯微鏡，掃描電子顯微鏡等專業設備對波紋管失效部位做全面分析。
拿到波紋管泄漏樣品（圖 1），對于搞機械的來講，很容易想到用氣壓測試確定波紋管泄漏大致位置。事實也是如此，采用此種方法可以很方便的確認泄漏位置大致位于接頭焊縫附近。緊接著去除波紋管接頭部保護環及編織網，裸眼觀測，對于大一些的裂紋可以直接看到，但是對于微小裂紋或者說想要知道裂紋萌生——發展——失穩的整個過程，就必須要借助于體式顯微鏡。體視顯微鏡放大倍數50倍，以其較經典顯微鏡更為出色的大景深，廣泛應用于各種斷口的宏觀觀察和拍照。
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圖 1 波紋管宏觀形貌
圖 2為是焊縫附近裂紋。其拍攝照片可以直觀的反映出裂紋位置以及近裂紋表面焊接過程中產生的高溫氧化色。僅僅觀測到裂紋，確定裂紋位置對于查找其產生的根本原因還是遠遠不夠的。想要了解的是整個波紋管壽命周期，從生產到使用究竟是哪個環節的問題導致了其異常開裂，進而引起泄漏。這就需要搜集各個環節的信息，越詳細越好，例如：生產制造工藝、材料技術標準、設計技術條件、安裝過程、使用過程……。通常想要真正了解原因，這些條件都是必要的。
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圖 2 焊縫部位裂紋局部宏觀形貌
接下來要使用的更為精密設備和復雜的制樣來觀察分析。眾所周知，機械行業大多傳動部件其加工過程中都要熱處理，其目的就是通過改變材料組織進而優化材料機械性能。對于生產檢驗，一般測試機械性能就可以了，但是對于失效分析，想要查清問題背后的原因，僅測性能是不夠的，需要觀察組織去了解影響性能背后的原因。觀察組織就要用到材料領域的——金相顯微鏡。這里使用的是金相顯微鏡，其可在50-1000倍觀察樣品。圖 3、圖4和圖 5是使用顯微鏡拍攝的照片。其中開裂確切位置清晰可見——焊接熱影響區，同時可見波紋管管壁痕跡，表明母材與焊料熔合不是很好，管壁裂紋起始位置可見細小的晶間裂紋。
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圖 3 焊縫部位裂紋周圍組織局部形貌
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圖 4 斷裂起始位置表面晶間裂紋局部形貌
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圖 5 表面晶間裂紋周圍組織局部形貌
失效分析當中的重頭戲——斷口分析，其要使用的設備也是失效分析中重量級的設備——掃描電子顯微鏡，簡稱SEM。SEM以其出色的放大倍數和觀察景深而聞名。隨機配備的能譜儀，更使其如虎添翼，使得其在失效分析領域大放異彩。圖6 、圖7 為使用SEM拍攝到的波紋管斷裂面的照片，其清晰告知斷裂模式為晶間腐蝕—疲勞斷裂。
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圖 6 斷口開裂源部位表面晶間裂紋局部形貌
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圖 7 斷口裂紋擴展區疲勞紋局部形貌
304不銹鋼的敏化溫度區間大致為425-815℃[1]。在焊接接頭的焊接過程中，熱影響區熱循環峰值溫度在600-1000℃。在隨后的冷卻過程中，如果在304敏化溫度區域停留時間過長將會導致材料晶間腐蝕敏感性增加。焊接時可以通過提高焊接速度的方法來增大電流，維持較低的熱輸入，從而降低晶間腐蝕的傾向，也可以對焊接后的不銹鋼進行固溶處理和穩定化處理來降低焊接件晶間腐蝕敏感性[1,2]。
綜上，結合各種背景信息以及各種測試分析手段的相互佐證，可以得出造成連接機頭和容器波紋管泄漏的原因為波紋管接頭焊接工藝不當，使得304表面使用過程中產生晶間腐蝕，進而萌生晶間裂紋在周期性載荷作用下造成波紋管早期疲勞開裂。
參考文獻
[1]. 張晶瑩. 304奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕與防護.裝備制造技術,2012,2:154-155.
[2]. 趙強,肖維寶 等.304不銹鋼法蘭焊接裂紋分析與返修.焊接,2017,2:54-56.
作者
阿特拉斯·科普柯(無錫)壓縮機有限公司 程曉波
