宋體杰，吳 睿，張曉清

(沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，沈陽(yáng) 110850)

0 引言

現(xiàn)代飛機(jī)機(jī)體使用的工程材料中，鋁合金具有密度小、強(qiáng)度高、抗應(yīng)力腐蝕能力好等特點(diǎn)［1］。在所有鋁合金的加工工藝中，鋁合金焊接結(jié)構(gòu)具有重量輕、耐腐蝕、加工工藝性能優(yōu)異、易于連接，被廣泛應(yīng)用于交通、鐵道、船舶、航空航天飛行器等工程領(lǐng)域［2］。采用鋁合金結(jié)構(gòu)可有效節(jié)約材料，減小結(jié)構(gòu)的自重，提高結(jié)構(gòu)的有效載荷和動(dòng)力學(xué)性能［3－5］。

加油吊艙是飛機(jī)進(jìn)行加油的核心設(shè)備，其完好率成為影響空中加油任務(wù)完成的關(guān)鍵因素，其一旦失效將帶來(lái)非常嚴(yán)重的后果。加油吊艙轉(zhuǎn)接件為焊接組合件，該件在進(jìn)行密封試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)蓋板存在裂紋，蓋板鑄件材料為ZL116。為了找出加油吊艙轉(zhuǎn)接件產(chǎn)生裂紋的原因，防止類似事故的再次發(fā)生，減少由失效帶來(lái)的安全隱患，本研究對(duì)加油吊艙轉(zhuǎn)接件進(jìn)行全面分析和研究，確定失效的原因，提出改進(jìn)措施。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 裂紋外觀檢查

加油吊艙轉(zhuǎn)接件外觀形貌及裂紋位置見圖1。該轉(zhuǎn)接件為多零件組合件，2號(hào)件與蓋板焊接連接處可見明顯變形。加油吊艙轉(zhuǎn)接件出現(xiàn)裂紋的位置為蓋板鑄2號(hào)件連接的端口近雙重R角處(圖2)。為穿透性裂紋，且外表面裂紋長(zhǎng)度約為60mm，內(nèi)表面裂紋長(zhǎng)度約為50mm。該裂紋與焊縫呈近似平行關(guān)系，由中間向兩端擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展路徑曲折(圖3)。兩零件氬弧焊焊縫不均勻，焊瘤多且大，可見明顯打磨痕跡，裂紋位置上方焊縫存在3處補(bǔ)焊痕跡(圖4)。

圖1 轉(zhuǎn)接件外觀形貌及裂紋位置Fig.1 Morphology and crack location of adapter

圖2 蓋板鑄件與2號(hào)件連接的雙重R角Fig.2 Double R angle connecting cover plate casting with No.2 part

圖3 裂紋位置及宏觀形貌Fig.3 Crack location and macro morphology

圖4 裂紋上方焊縫補(bǔ)焊痕跡Fig.4 Repairing welding trace of weld seam above crack

1.2 斷口分析

1.2.1 裂紋斷口宏觀觀察

將裂紋打開，其斷口宏觀形貌見圖5。斷口呈淺灰色，內(nèi)表面可見黃綠色，檢查后確認(rèn)為殘留熒光液，清洗后消失，且斷面較明亮。斷口表面不平整，有一定起伏，呈結(jié)晶狀，光線照射下可見明亮小晶面。斷口宏觀特征表明此斷裂為脆性斷裂。斷口未見冶金缺陷、腐蝕痕跡及其他明顯外傷。

圖5 斷口宏觀形貌Fig.5 Fracture surface appearance

1.2.2 斷口掃描電鏡觀察

將斷口清洗后進(jìn)行掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋起源于外表面中部，源區(qū)為線性。斷口上可見大量小斷面，源區(qū)附近小斷面數(shù)量最多，且小斷面較為平整，撕裂棱明顯(圖6a)。隨著裂紋向兩端擴(kuò)展，小斷面減少，塑性變形的痕跡愈發(fā)明顯，開始出現(xiàn)花瓣?duì)钏毫牙?圖6b)。到達(dá)裂紋末端時(shí)，花瓣特征明顯，小斷面小且少(圖6c)。圖7為人工斷口形貌，有大量花瓣?duì)钏毫牙馀c韌窩，存在一定塑性變形。

斷口掃描電鏡觀察未見冶金缺陷、腐蝕痕跡。

圖6 斷口微觀形貌Fig.6 Microscopic morphology of fracture surface

圖7 人工斷口微觀形貌Fig.7 Microscopic morphology of artificial fracture zone

1.3 金相分析

通過(guò)斷口分析，確定裂紋源區(qū)在整個(gè)裂紋長(zhǎng)度的中心部位，裂紋的擴(kuò)展是由裂紋的中心部位向兩端進(jìn)行擴(kuò)展的，截取裂紋中部及裂紋末端附近的2個(gè)由焊縫到裂紋的垂直面鑲嵌后進(jìn)行金相組織觀察。圖8為裂紋中部垂直面的熔合區(qū)、熱影響區(qū)及裂紋區(qū)金相組織照片，從圖中可看出，鑄件斷口處金相組織受焊接熱影響比較明顯，表現(xiàn)為枝晶數(shù)量多，尺寸大，甚至接近斷口處整個(gè)壁厚。圖9為裂紋末端附近的垂直面的熔合區(qū)、熱影響區(qū)及裂紋區(qū)金相組織照片，可見該垂直面熱影響區(qū)較大。對(duì)比兩垂直面的金相組織可以看出，裂紋源區(qū)附近金相組織受焊接熱影響較大，幾乎接近裂紋位置，組織粗大導(dǎo)致塑性進(jìn)一步降低。

圖8 裂紋中部垂直面金相組織Fig.8 Microstructure vertical to the crack near the middle of the crack

圖9 裂紋末端附近垂直面熔合區(qū)金相組織Fig.9 Microstructure vertical to the crack near the end of the crack

1.4 化學(xué)成分分析

選取蓋板鑄件裂紋附近位置進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，符合技術(shù)條件要求。

表1 蓋板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Chemical composition of cover plate(mass fraction/%)

1.5 硬度測(cè)試

選取蓋板鑄件裂紋附近位置進(jìn)行硬度檢查，結(jié)果見表2，可見硬度符合技術(shù)條件要求。

表2 蓋板的硬度測(cè)試結(jié)果Table 2 Hardness testing results of cover plate HB

1.6 X射線檢測(cè)

經(jīng)檢驗(yàn)該批鑄件入廠X射線檢測(cè)結(jié)果符合技術(shù)條件要求。焊接后X射線檢測(cè)結(jié)果符合Q/1ARY－75—2003要求。

2 分析與討論

通過(guò)鑄件金相組織觀察、斷口宏微觀分析、硬度檢查、化學(xué)成分分析及X射線針孔度檢測(cè)可知，蓋板鑄件材料符合技術(shù)條件要求，材料不存在問(wèn)題;而在斷口上未見陽(yáng)極化膜，說(shuō)明裂紋最初出現(xiàn)時(shí)間是在陽(yáng)極化之后。

從加油吊艙轉(zhuǎn)接件外觀形貌可以看出，裂紋位于蓋板鑄件與2號(hào)件的連接端口的近R角處。在實(shí)際機(jī)械零件中，由于結(jié)構(gòu)上的要求，一般都存在有槽溝、軸肩、孔、拐角、切口等截面變化，這些截面變化統(tǒng)稱為缺口。缺口處不可避免地會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，而應(yīng)力集中又必然使零件的局部應(yīng)力提高［6］。因孔、溝槽、缺口、臺(tái)階等附近存在應(yīng)力集中，從而減弱了構(gòu)件的強(qiáng)度，降低了構(gòu)件的承載能力。應(yīng)力集中是引起構(gòu)件破壞的主要因素，應(yīng)力集中處往往是構(gòu)件破壞的起始點(diǎn)［7］。應(yīng)力集中現(xiàn)象普遍存在各種構(gòu)件中，大部分構(gòu)件的破壞事故是應(yīng)力集中引起的。該加油吊艙轉(zhuǎn)接件裂紋萌生此R角處的雙重R角處，為雙重結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中處，R角處是整個(gè)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力水平最高的區(qū)域，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上屬于應(yīng)力的最集中區(qū)域，也是最容易萌生裂紋區(qū)域。

蓋板鑄件與2號(hào)件的組合是靠焊接完成的，在焊接的過(guò)程中產(chǎn)生了焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力是由加熱不均勻所引起的，在焊接過(guò)程中，由于焊縫處溫度較高，而金屬的基體約束焊縫，使其不能自由膨脹，因而出現(xiàn)內(nèi)部壓應(yīng)力，局部達(dá)到塑性變形。溫度降低后，由于周圍的約束不能自由收縮，出現(xiàn)內(nèi)部拉應(yīng)力，局部達(dá)到拉伸屈服極限在遠(yuǎn)離焊縫的地方則存在殘余壓應(yīng)力，其形成過(guò)程恰好相反。焊接殘余應(yīng)力存在影響著蓋板鑄件的剛度，特別是焊接殘余應(yīng)力與外載引起的應(yīng)力相疊加，可能使焊件局部提前屈服產(chǎn)生塑性變形，焊件的剛度會(huì)因此而降低［8］。

通過(guò)2號(hào)件的外觀觀察表明，斷口受到過(guò)大的應(yīng)力校形，裝配及試驗(yàn)過(guò)程中也產(chǎn)生了較大的應(yīng)力，由于此前在此處產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中、焊接殘余應(yīng)力，幾種應(yīng)力疊加，并最終在試驗(yàn)時(shí)導(dǎo)致裂紋在塑性最差、應(yīng)力最大的位置首先萌生，并向兩端擴(kuò)展。因此認(rèn)為大應(yīng)力是導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)的主要原因。

通過(guò)外觀觀察還發(fā)現(xiàn)，裂紋位置上方出現(xiàn)3處補(bǔ)焊痕跡，表明該部位曾多次受熱。凡是通過(guò)局部焊接來(lái)達(dá)到連接金屬的方法，不論是熔焊還是固態(tài)焊接，由于加熱的瞬時(shí)性和局部性使得焊縫附近的母材都經(jīng)受了一種特殊的熱循環(huán)作用，所以升溫速度快，冷卻速度也快。焊接加熱的另一個(gè)特點(diǎn)為熱場(chǎng)分布極不均勻。緊靠焊縫的高溫區(qū)接近熔點(diǎn)，遠(yuǎn)離焊縫的低溫區(qū)內(nèi)接近于室溫。而且，峰值溫度愈高的部位，加熱速度愈快，冷卻速度愈快，因此焊接熱影響區(qū)各處的溫度分布不均勻，加熱與冷卻亦不均勻，造成了組織與性能的不均勻［9］，而該加油吊艙轉(zhuǎn)接件裂紋位置上方出現(xiàn)多處補(bǔ)焊，通過(guò)金相分析已經(jīng)知道裂紋源區(qū)受補(bǔ)焊的影響，熱影響區(qū)明顯擴(kuò)大，裂紋源區(qū)的組織變?yōu)榇执蟮闹ЫM織，而且枝晶的數(shù)量明顯增多，從而導(dǎo)致該蓋板的塑性、韌性下降，組織塑性變差是裂紋產(chǎn)生的另一個(gè)原因。

因此，加油吊艙的開裂是由大應(yīng)力和組織塑性差共同作用所導(dǎo)致的。

3 改進(jìn)措施

為防止加油吊艙轉(zhuǎn)接件發(fā)生類似開裂失效，建議采取以下改進(jìn)措施:

1)把蓋板鑄件改為預(yù)拉伸板;

2)增加焊道距R角的距離;

3)控制焊接起弧點(diǎn)和收弧點(diǎn)的位置，不要在R角處上方，避免在R角處上方補(bǔ)焊。

4 結(jié)論

1)蓋板鑄件材質(zhì)符合技術(shù)條件要求。

2)裂紋撕裂斷口特征裂紋起源于蓋板鑄件與2號(hào)件焊接端口的近雙重R角處，出現(xiàn)于陽(yáng)極化之后，并向兩端擴(kuò)展。

3)導(dǎo)致裂紋的主要原因是大應(yīng)力。大應(yīng)力的來(lái)源有結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中、焊接內(nèi)應(yīng)力及焊接后的校形應(yīng)力、裝配及試驗(yàn)應(yīng)力等;鑄件近雙重R角處組織粗大，組織塑性差是裂紋產(chǎn)生的另一個(gè)原因。

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