公維勇 黃青松

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043）

0 引言

GH4169作為一種以體心四方的Ni3Nb和面心立方的Ni3（Al，Ti，Nb）相沉淀強(qiáng)化的鎳基高溫合金，在較高溫度下具有屈服強(qiáng)度高、塑性好的特點(diǎn)，同時(shí)在常溫下其焊接性也非常好，其廣泛應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件中。GH4169合金用于機(jī)匣類(lèi)結(jié)構(gòu)時(shí)，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，一般其安裝邊和安裝座與筒體之間采用焊接結(jié)構(gòu)，焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于構(gòu)造合理、制造工藝性較好和結(jié)構(gòu)重量較輕等。電子束焊由于具有能量密度高、焊接變形小以及接頭質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，同時(shí)，電子束焊接過(guò)程對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞性能的影響也不能忽視。損傷是指由于零件存在微觀缺陷，在外載荷和環(huán)境的作用下最終導(dǎo)致零件斷裂或失效的過(guò)程。根據(jù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)分析，由于實(shí)際零件材料內(nèi)部中存在著一些微觀缺陷（如疏松、夾雜、氣孔等），而且材料在加工時(shí)也難免產(chǎn)生各種表面加工缺陷（如刀痕、毛刺、劃傷等），在各種內(nèi)部和外部缺陷的影響下，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致零件工作過(guò)程中的疲勞損傷。該文將通過(guò)試驗(yàn)對(duì)GH4169焊接接頭的疲勞性能進(jìn)行研究，論文著重研究了焊接接頭的疲勞損傷演化過(guò)程，分析了損傷演變與接頭壽命的關(guān)系。

2 GH4169電子束焊接接頭的疲勞試驗(yàn)

2.1 試樣制備

試驗(yàn)采用GH4169高溫合金板材，焊接要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行；焊后經(jīng)X光檢測(cè)；熱處理消除殘余應(yīng)力；試件加工按照國(guó)標(biāo)GB3075—82進(jìn)行，試件表面不得有劃傷、擦傷，不得沿橫向加工。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

疲勞試驗(yàn)采用應(yīng)力控制，試驗(yàn)在MTS公司809液壓伺服材料疲勞試驗(yàn)機(jī)上完成，用夾式引伸計(jì)來(lái)測(cè)量應(yīng)變，引伸計(jì)標(biāo)距：25 mm，記錄應(yīng)變幅變化作為宏觀損傷量計(jì)算依據(jù)。試驗(yàn)載荷為正弦波，應(yīng)力比為0.1。由于試驗(yàn)為應(yīng)力控制疲勞試驗(yàn)，考慮到試驗(yàn)成本的因素，可以在不導(dǎo)致試樣溫度上升的前提下選取較高的試驗(yàn)頻率，該文中試驗(yàn)的頻率為5 Hz～10 Hz。參考材料數(shù)據(jù)手冊(cè)和以往氬弧焊GH4169焊接接頭疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該文進(jìn)行4個(gè)載荷等級(jí)的疲勞試驗(yàn)，每個(gè)載荷等級(jí)不少于3件有效試樣。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

該文分別進(jìn)行了930 MPa、868 MPa、806 MPa、750 MPa載荷的疲勞試驗(yàn)，在給定的試驗(yàn)載荷范圍內(nèi)，GH4169電子束焊接接頭的疲勞壽命在104～105次，在此范圍內(nèi)的疲勞壽命和應(yīng)力在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下存在線性關(guān)系，采用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，得到GH4169焊接接頭的應(yīng)力—壽命的關(guān)系為

3 GH4169焊接接頭損傷演化趨勢(shì)

3.1 宏觀損傷量的測(cè)量

疲勞過(guò)程中，焊接接頭宏觀損傷D用應(yīng)變幅的變化來(lái)計(jì)算：

式中：Δε*為循環(huán)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)應(yīng)變幅；Δε為宏觀應(yīng)變幅。

循環(huán)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的過(guò)程可能有幾十個(gè)或幾百個(gè)循環(huán)，測(cè)出穩(wěn)定后應(yīng)變的峰值和谷值，得到初始穩(wěn)定Δε*。然后每隔一定的循環(huán)，記錄下應(yīng)變的峰值和谷值，得到對(duì)應(yīng)循環(huán)數(shù)下的Δε，從而計(jì)算得到宏觀損傷量D。

根據(jù)上述方法計(jì)算循環(huán)壽命比N/Nf與損傷D的數(shù)值，得到同一載荷下試件的宏觀損傷變量D的變化歷程，圖1為σ=806 Pa的損傷量的變化情況。

從圖1損傷的演化趨勢(shì)可以看出，GH4169焊接接頭的疲勞過(guò)程可大體分為兩個(gè)階段：1）損傷緩慢發(fā)展階段：在該階段中焊接接頭疲勞損傷發(fā)展較為緩慢，卻大約占據(jù)了整個(gè)焊接接頭疲勞壽命的90 %；2）損傷急劇增大階段：當(dāng)損傷達(dá)到一定循環(huán)后，疲勞損傷發(fā)展速度急劇增加，在焊接接頭損傷達(dá)到一定臨界值時(shí)，試件突然斷裂，此階段大約占據(jù)整個(gè)焊接接頭疲勞壽命的10 %。所以，零件使用過(guò)程中要對(duì)焊接接頭失效前的疲勞損傷發(fā)展過(guò)程給予足夠重視。

3.2 不同載荷下GH4169焊接接頭損傷演化方程

GH4169焊接接頭也可采用如下疲勞損傷演化方程：

式中：D0為初始損傷，α1、β1為材料損傷參數(shù)，Dc為臨界損傷（通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定）。其中D0、α1、β1為待擬合參數(shù)，D為因變量，N/Nf為自變量。

圖1 σ=806Pa的損傷演化趨勢(shì)

以同一載荷水平下的1個(gè)試樣為例，可擬合得到不同載荷損傷演化曲線，對(duì)不同載荷下的損傷演化曲線進(jìn)行分析得出，當(dāng)載荷較低時(shí)，損傷演變過(guò)程比較平緩，隨著載荷的不斷增大，損傷演變過(guò)程變得較為急劇。

4 結(jié)論

該文通過(guò)GH4169高溫合金電子束焊接接頭的疲勞試驗(yàn)，得到了GH4169電子束焊縫的S—N曲線和疲勞損傷演化曲線。

根據(jù)宏觀損傷疲勞試驗(yàn)得到了GH4169電子束焊焊接接頭在不同載荷下的宏觀損傷演化過(guò)程，進(jìn)而可確定不同載荷下的焊接接頭的疲勞損傷演化方程。

焊接接頭的損傷演化過(guò)程分析是建立在損傷力學(xué)的壽命評(píng)估方法的基礎(chǔ)上，對(duì)于實(shí)際結(jié)構(gòu)，將GH4169電子束焊焊接接頭的損傷演化過(guò)程分析與有限元分析結(jié)合起來(lái)，可實(shí)現(xiàn)焊接零件的壽命預(yù)測(cè)，為工程應(yīng)用提供一定幫助。