楊 健, 張 爽, 劉 磊, 鄭 媛

(西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限公司, 西安 710021)

質(zhì)量控制與失效分析

發(fā)動(dòng)機(jī)總管支架銷軸脫落原因分析

楊 健, 張 爽, 劉 磊, 鄭 媛

(西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限公司, 西安 710021)

某發(fā)動(dòng)機(jī)總管支架銷軸在使用過程中出現(xiàn)脫落和裂紋。通過斷口的宏微觀分析、金相檢驗(yàn)與結(jié)構(gòu)分析等，對(duì)銷軸脫落和產(chǎn)生裂紋的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：在發(fā)動(dòng)機(jī)工作振動(dòng)應(yīng)力的作用下，銷軸與支架連接的焊點(diǎn)產(chǎn)生疲勞裂紋，進(jìn)而引起總管支架銷軸脫落，脫落原因?yàn)橹Ъ芙M件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和連接工藝不合理、焊接強(qiáng)度低。

支架；銷軸；焊點(diǎn)；脫落；疲勞裂紋

發(fā)動(dòng)機(jī)是航空器的心臟，其性能是保障航空器利用率和飛行安全的重要因素[1]。焊接結(jié)構(gòu)作為一種連接各個(gè)部件有效又經(jīng)濟(jì)的方式，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外航空航天、鐵道車輛、造船業(yè)、國防等領(lǐng)域。焊接技術(shù)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的關(guān)鍵技術(shù)之一，焊接結(jié)構(gòu)件在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)零部件總數(shù)所占比例已經(jīng)超過50%，而焊接結(jié)構(gòu)所發(fā)生的斷裂事故中，70%～90%是由疲勞失效引起的[2-5]。

某發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后，在例行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)噴口隔屏存在一長約50 mm的銷子，經(jīng)查該銷子為發(fā)動(dòng)機(jī)總管支架上的銷軸。支架結(jié)構(gòu)見圖1，銷軸采用焊接方式與支架連接，焊接方式為氬弧焊，焊后進(jìn)行了消除應(yīng)力熱處理，銷軸材料為GH605鈷基高溫合金，支架材料為GH625鎳基高溫合金。該銷軸脫落故障在外場(chǎng)已發(fā)生了4起，對(duì)使用數(shù)百小時(shí)的15臺(tái)返廠發(fā)動(dòng)機(jī)總管支架均進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)有8臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)總管支架在焊接處存在不同程度的開裂。為了準(zhǔn)確查找銷軸脫落的原因，減少或避免同類故障的再次發(fā)生，筆者對(duì)故障件進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

圖1 總管支架實(shí)物外觀Fig.1 Appearance of the manifold bracket

1 理化檢驗(yàn)

1.1 脫落件斷口分析

脫落件銷軸和支架上共有4個(gè)斷口，斷口均位于焊核上管體內(nèi)側(cè)的焊點(diǎn)部位，具體位置見圖2。斷口均比較平齊，未見明顯塑性變形，斷口顏色為灰黑色，斷面上可觀察到光亮的摩擦痕跡，斷口宏觀形貌見圖3和圖4。

圖2 支架與銷軸的焊點(diǎn)形貌Fig.2 Morphology of welding spots of the bracket and the pin roll:a) welding spot positions of the bracket; b) welding spot positions of the pin roll

圖3 支架上的斷口形貌Fig.3 Morphology of the fracture of the bracket:a) fracture 1 and fracture 2; b) fracture 3 and fracture 4

圖4 銷軸上的斷口形貌Fig.4 Morphology of the fracture of the pin roll:a) fracture 1; b) fracture 2; c) fracture 3; d) fracture 4

在掃描電鏡下進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)斷面氧化、磨損嚴(yán)重。從斷口3上可觀察到疲勞弧線，從疲勞弧線的擴(kuò)展方向推斷，裂紋源區(qū)應(yīng)位于焊核側(cè)壁轉(zhuǎn)接半徑附近，該處較平坦[6]。裂紋由焊核外向內(nèi)擴(kuò)展，裂紋源區(qū)未見材料及冶金缺陷，也未見焊接缺陷，見圖5。疲勞擴(kuò)展較充分，擴(kuò)展區(qū)可觀察到疲勞條帶[7]，見圖6。

斷口3面積較大，磨損、氧化情況略輕。斷口1，2，4幾乎完全被氧化物覆蓋或被磨平，斷口特征難以分辨。從斷口的宏觀形貌判斷，斷口1，2，4與斷口3性質(zhì)相同。從斷口損傷情況判斷， 斷口3損傷較輕，斷口1，2，4余斷口損傷較重。因此斷口3可能為最后斷裂斷口，其余斷口開裂較早。結(jié)合斷口形貌判斷其起源位置應(yīng)位于銷軸與支架結(jié)合線處。

圖5 斷口3裂紋源區(qū)形貌Fig.5 Morphology of the crack source area of fracture 3

圖6 斷口3擴(kuò)展區(qū)形貌Fig.6 Morphology of the propagation area of fracture 3

1.2 支架裂紋分析

取兩件有裂紋的支架進(jìn)行觀察分析，兩支架均在相同位置有裂紋，裂紋形貌相似，分別對(duì)其進(jìn)行斷口分析和金相檢驗(yàn)。

1.2.1 斷口分析

將支架沿裂紋打開，發(fā)現(xiàn)斷口顏色為灰黑色，斷口齊平，未見明顯塑性變形。斷面上氧化、腐蝕、磨損現(xiàn)象較嚴(yán)重。由擴(kuò)展棱線方向判斷，裂紋源區(qū)位于銷軸與支架結(jié)合線處，由內(nèi)側(cè)向外擴(kuò)展，裂紋源區(qū)未見材料及冶金缺陷，也未見焊接缺陷，擴(kuò)展區(qū)可觀察到疲勞條帶，未見明顯瞬斷區(qū)，形貌見圖7。

圖7 有裂紋支架的斷口形貌Fig.7 Fracture morphology of the bracket with cracks:a) full view of the fracture; b) the crack source area; c) the propagation area

1.2.2 金相檢驗(yàn)

垂直于焊點(diǎn)切取金相試樣，對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行金相檢驗(yàn)。裂紋由支架和銷軸的結(jié)合縫處起源，向焊縫外側(cè)擴(kuò)展，銷軸徑向最大熔化深度約為0.38 mm，有效焊接厚度約為0.73～1.17 mm，見圖8。

由焊點(diǎn)解剖分析可知，銷軸和支架焊縫結(jié)合線處存在尖銳夾角，該夾角的存在使該處具有較高應(yīng)力集中效應(yīng)，成為薄弱區(qū)，易于從此處產(chǎn)生裂紋。

圖8 軸銷焊點(diǎn)的微觀形貌Fig.8 Micro morphology of the welding spot of the pin roll:a) morphology 1; b) morphology 2

1.3 支架受力與結(jié)構(gòu)分析

支架除了受到裝配和連接總管的彎扭應(yīng)力外，主要承受發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的振動(dòng)應(yīng)力，銷軸與支架采用點(diǎn)焊方式連接，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。從多起銷軸脫落和焊接區(qū)出現(xiàn)的裂紋特征來看，焊接點(diǎn)是支架中承力最薄弱的區(qū)域。

2 分析與討論

銷軸與支架連接的焊點(diǎn)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作的振動(dòng)應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞裂紋，進(jìn)而斷裂引起銷軸脫落。該支架作為發(fā)動(dòng)機(jī)總管的支架，在飛機(jī)飛行時(shí)承受振動(dòng)應(yīng)力，除飛機(jī)起飛和降落時(shí)，飛機(jī)正常飛行時(shí)振動(dòng)應(yīng)力很小。但出現(xiàn)了多起銷軸脫落和連接焊點(diǎn)疲勞裂紋，其原因應(yīng)有支架的結(jié)構(gòu)形式、焊接的連接方式、焊接強(qiáng)度等因素。

在支架組件中，銷軸起到固定桿的作用，與支架采用開口管狀連接和點(diǎn)焊接方式，其支架與銷軸間的間隙很難保證，銷軸和支架焊縫結(jié)合線處存在尖銳夾角，在工藝上也難以徹底消除。因此，改進(jìn)支架整體結(jié)構(gòu)和連接方式，消除振動(dòng)的局部集中點(diǎn)，是解決該故障的根本措施。

故障件中焊接的熔化深度和有效焊接厚度都很小，這也是造成零件強(qiáng)度低，產(chǎn)生疲勞開裂的主要原因之一[8]。對(duì)該故障件進(jìn)行了焊接工藝改進(jìn)研究，改進(jìn)了焊接工藝參數(shù)和方法，使焊接的熔化深度、有效焊接厚度有了很大提高，改進(jìn)后樣件焊點(diǎn)的微觀形貌見圖9。

通過以上分析，可以得出該型發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生多起銷軸脫落和銷軸與支架開裂的主要原因是支架組件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、連接工藝不合理和焊接強(qiáng)度低。

3 結(jié)論

(1) 該銷軸脫落是由于銷軸與支架連接點(diǎn)焊縫在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生疲勞開裂所引起的。

(2) 銷軸脫落和銷軸與支架產(chǎn)生裂紋的主要原因是支架組件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、連接工藝不合理和焊接強(qiáng)度低。

[1] 江龍平,徐可君,隋育松.航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷技術(shù)[J].航空科學(xué)技術(shù),2002(2):38-40.

[2] 趙子豪,劉德剛.焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的產(chǎn)生原因與預(yù)防措施[J].現(xiàn)代機(jī)械,2012(1):64-67.

[3] 曲伸,宋文清,黃青松,等.先進(jìn)航空焊接技術(shù)[J].航空制造技術(shù),2013,431(11):32-35.

[4] 張磊先,杜靜,李文學(xué).先進(jìn)焊接技術(shù)在國內(nèi)航空制造領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用和發(fā)展概況[J].新技術(shù)新工藝,2012(10):61-64.

[5] 苗蓉,林京娜.DN50不銹鋼波紋管開裂失效分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2015,51(2):135-138.

[6] 張棟,鐘培道,陶春虎,等.失效分析[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008:113-114.

[7] 李毅,朱鵬霄,陳波.油缸活塞桿斷裂失效分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2015,51(11):824-826.

[8] 陶春虎,劉高遠(yuǎn),恩云飛,等.軍工產(chǎn)品失效分析技術(shù)手冊(cè)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009:407-409.

Reason Analysis on Falling off of the Pin Roll of a Engine Manifold Bracket

YANG Jian, ZHANG Shuang, LIU Lei, ZHENG Yuan

(Xi’an Aero-Engine (Group) Ltd., Xi’an 710021, China)

Falling off and cracks occurred to the pin roll of a engine manifold bracket during use. The fracture reasons for peeling off and cracks of the pin roll were analyzed by means of macroscopic and microscopic fracture analysis, metallographic examination and structural analysis. The results indicate that: under the vibration stress of the engine, fatigue cracks appeared at the welding spot of the bracket and the pin roll, and then resulted in the falling off of the pin roll of the manifold bracket; the reason of the falling off was the unreasonable structural design and joint technology and the low welding strength.

bracket; pin roll; welding spot; falling off; fatigue crack

10.11973/lhjy-wl201707014

2016-09-26

楊 健(1960-)，男，研究員，主要從事失效分析與金屬材料檢測(cè)工作，yang7643@163.com

TG115.2; TG405

B

1001-4012(2017)07-0515-04