項(xiàng)國(guó)輝，劉智敏 ，許 磊，蒙春輝

（1.空軍裝備部駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西 南昌，330024；2.空軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局，上海，200231）

某型飛機(jī)在外場(chǎng)執(zhí)行任務(wù)時(shí)發(fā)生多起發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管裂紋故障（如圖1），其中一起導(dǎo)致場(chǎng)內(nèi)迫降的飛行事故征候。 該問(wèn)題隨時(shí)可能引起發(fā)動(dòng)機(jī)工作異常，甚至有停車風(fēng)險(xiǎn)，本文通過(guò)對(duì)排氣管設(shè)計(jì)、焊接工藝、制造裝配過(guò)程、特性分析等情況進(jìn)行排查、分析，明確了排氣管裂紋產(chǎn)生的原因和機(jī)理，并制定了解決措施，有效排除了上述質(zhì)量隱患。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管裂紋故障圖

1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

該型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣總管由右排氣總管和左排氣總管兩個(gè)單獨(dú)部分組成， 將廢氣從飛機(jī)下部排出。右排氣總管由右部的四段排氣管組成，相應(yīng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的五個(gè)氣缸相連接；左排氣總管由左部的四段排氣管組成，相應(yīng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的四個(gè)氣缸相連接，見(jiàn)圖2。 各排氣管之間對(duì)接處采用金屬石棉墊包裹后用卡箍裝緊。

圖2 排氣管安裝示意圖

2 問(wèn)題定位

2.1 故障樹(shù)建立

針對(duì)排氣管裂紋， 梳理可能造成裂紋的原因，形成故障樹(shù)如圖3 所示。

圖3 排氣管裂紋故障樹(shù)

2.2 故障樹(shù)排查

1） 靜強(qiáng)度不符合要求

通過(guò)設(shè)計(jì)強(qiáng)度分析可知：

（1） 在Y 向最大當(dāng)?shù)剡^(guò)載的慣性載荷作用下，排氣管與發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸連接處應(yīng)力僅為25.5MPa，遠(yuǎn)小于排氣管焊縫處的實(shí)際強(qiáng)度極限值265MPa；

（2）相同受載條件下，焊縫階差為3mm 的排氣管與發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸連接處應(yīng)力為42.1MPa，這表明焊縫階差越大，排氣管焊縫處的應(yīng)力集中越大、應(yīng)力水平越高；

（3）在1mm 的強(qiáng)迫裝配位移下，排氣管與發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸連接處的應(yīng)力為189MPa，小于強(qiáng)度極限值265MPa，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求；

（4）在安裝排氣管時(shí)，如果存在強(qiáng)迫裝配，排氣管與發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸連接處的應(yīng)力會(huì)隨著強(qiáng)迫位移的增大而顯著增大。

綜上分析，設(shè)計(jì)強(qiáng)度符合要求。

2） 搭接焊縫過(guò)渡劇烈

排氣管部位焊縫裂紋出現(xiàn)位置見(jiàn)圖4（焊縫與母材交界處），該處焊縫為搭接焊縫，焊縫等級(jí)為三級(jí)。

圖4 排氣管焊縫裂紋示意圖

排氣管斷裂處焊縫結(jié)構(gòu)為空間變截面組合焊接的支管插入球面管嘴形成的搭接焊縫，支管橢圓度允許不大于3mm（焊接完工后的校正工序保證），當(dāng)搭接焊縫焊接前焊接間隙延圓周存在不均勻情況時(shí)，需在制造過(guò)程中通過(guò)校正處理（支管與球面管嘴暫焊后的校正工序保證）。如果制造過(guò)程中校正不到位時(shí)，局部（如圖5 所示）會(huì)存在超出1.5mm 乃至2mm 以上的情況，焊接后會(huì)造成連接兩構(gòu)件的焊縫與母材出現(xiàn)劇烈過(guò)渡，構(gòu)件在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，進(jìn)而造成疲勞斷裂。 同時(shí)搭接焊縫背面焊漏未去除，會(huì)進(jìn)一步加大應(yīng)力集中的趨勢(shì)。

圖5 搭接焊縫截面

當(dāng)焊前間隙 （紅線距離減去球形接嘴厚度1.5mm，半管厚度0.8mm）大于1.5mm 時(shí)，容易導(dǎo)致焊縫與母材過(guò)渡不平滑，甚至劇烈過(guò)渡，導(dǎo)致應(yīng)力集中。

由上可知，焊接搭接間隙過(guò)大是造成產(chǎn)生疲勞斷裂的主要因素。

3） 焊接背部不通氬氣保護(hù)

通過(guò)金相和能譜檢測(cè)等理化分析，背部不通氬氣不會(huì)對(duì)整個(gè)焊縫組織性能產(chǎn)生較大影響，僅表面層存在氧化過(guò)度情況。 依據(jù)相關(guān)技術(shù)條件“落錘壓模制造之零件，允許按名義尺寸變薄30%”，0.8mm 厚度的鈑金件最小變薄量可以到0.56mm。 通過(guò)測(cè)量焊接后支管壁厚均超過(guò)0.7mm，故障件斷裂位置氧化層造成的材料變薄量遠(yuǎn)小于鈑金件允許的變薄范圍。 可以得出，背部不通氬氣保護(hù)不是造成斷裂的主要因素。

4） 排氣管強(qiáng)迫裝配

依據(jù)相關(guān)技術(shù)條件中規(guī)定“焊接好的支管橢圓度允許達(dá)3 mm（但需要校正的對(duì)接部分除外）。 裝配時(shí)支管軸線不重合度（錯(cuò)開(kāi)）允許達(dá)2mm?！?/p>

右排氣總管和左排氣總管由零件分廠裝配好后成套交付，在裝配過(guò)程中通過(guò)專用工裝保證各支管軸線的重合度，同時(shí)在制造指令中明確了相關(guān)制造及檢驗(yàn)要求，可保證各支管軸線的重合度要求。左、右排氣總管交付飛機(jī)總裝廠后進(jìn)行連接發(fā)動(dòng)機(jī)和卡箍安裝工作，在安裝過(guò)程中不需分解排氣總管，對(duì)各支管軸線的重合度無(wú)影響。

但在外場(chǎng)更換其中一段排氣支管的過(guò)程中，由于排氣支管屬焊接件，互換性較差，如果各排氣支管先剛性固定與各氣缸接頭，再安裝各排氣管之間的金屬石棉墊并用卡箍裝緊，可能會(huì)存在支管軸線不重合度超過(guò)2mm 的情況出現(xiàn)。結(jié)合前面設(shè)計(jì)強(qiáng)度分析論述，此種情況將在排氣管與發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸連接處產(chǎn)生較大應(yīng)力， 導(dǎo)致使用過(guò)程中故障件斷裂位置出現(xiàn)疲勞斷裂。 故該因素不能排除。

3 機(jī)理分析

通過(guò)外場(chǎng)發(fā)回的斷裂位置照片（圖1）可以看出，斷裂位置焊縫與母材存在劇烈過(guò)渡，球形接嘴與支管存在較大高度差。結(jié)合反饋的失效分析結(jié)論為：“疲勞斷裂。 造成排氣管疲勞斷裂的主要原因是：排氣管靠發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)的接管嘴與管體周向搭接焊縫焊趾處存在較大的裝配彎曲應(yīng)力；焊縫處存在漏焊、寬度超差等焊接缺陷降低了焊趾處疲勞強(qiáng)度，促進(jìn)了疲勞裂紋的產(chǎn)生。 ”以及“裂紋性質(zhì)為疲勞裂紋，多源起始與焊趾位置。排氣管前期質(zhì)量控制不當(dāng)造成管體嚴(yán)重尺寸超差，導(dǎo)致管體與接管嘴焊接后產(chǎn)生嚴(yán)重應(yīng)力集中和較大殘余應(yīng)力，是該焊縫在壽命早期發(fā)生疲勞斷裂的根本原因。 ”

綜上，造成外場(chǎng)排氣管疲勞斷裂的失效過(guò)程如下：

1） 零件制造分廠在排氣管制造過(guò)程中未對(duì)搭接焊縫焊接前最大間隙進(jìn)行有效控制，且焊接過(guò)程中操作不當(dāng)，造成焊縫不均勻、焊漏未打磨、焊縫與母材過(guò)渡劇烈的排氣管流入下道工序。

2） 在工廠裝配以及外場(chǎng)更換排氣管過(guò)程中，因互換性差，未對(duì)強(qiáng)迫安裝會(huì)使斷裂處應(yīng)力水平急劇上升的危害引起足夠重視，可能造成排氣管安裝完成后殘留較大裝配應(yīng)力。

上述兩種情況綜合作用，排氣管在使用過(guò)程中一直處于較大應(yīng)力作用下，最終在使用過(guò)程中發(fā)生疲勞斷裂。

綜上分析，排氣管裂紋產(chǎn)生的原因是：

1） 排氣管管口環(huán)向焊縫與母材劇烈過(guò)渡， 焊縫尺寸不均勻，背面焊漏未打平，造成應(yīng)力集中，局部應(yīng)力增大；

2） 安裝時(shí)可能存在強(qiáng)迫裝配， 造成排氣管管口焊接區(qū)域承受裝配應(yīng)力。

在兩種因素及交變載荷的作用下，排氣管管口環(huán)向焊縫出現(xiàn)了疲勞裂紋。

4 糾正措施

1） 工廠改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將排氣管管口環(huán)向焊縫由原來(lái)的搭接焊縫改為對(duì)接，并完善現(xiàn)有焊接工藝，增加焊接時(shí)通氬氣保護(hù)要求以及對(duì)背面焊漏處打磨要求，提高焊縫的強(qiáng)度和抗疲勞性能。

2） 工廠以及部隊(duì)在排氣管拆裝時(shí)應(yīng)在松開(kāi)所有與氣缸相連接的螺套狀態(tài)下調(diào)整連接各段排氣管對(duì)接部位，盡量避免強(qiáng)迫裝配，并在維護(hù)規(guī)程中增加此項(xiàng)要求。

3） 研究制定了《某型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管檢查方案》，對(duì)廠內(nèi)和外場(chǎng)裝機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行了復(fù)查和處置。

5 結(jié) 論

排氣管裂紋可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)異常，對(duì)飛行安全造成嚴(yán)重影響。 本文從排氣管設(shè)計(jì)、制造和裝配等環(huán)節(jié)對(duì)排氣管裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，并針對(duì)故障原因制定了糾正措施，改進(jìn)了排氣管的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了焊接工藝，增加了排氣管的拆裝要求，有效杜絕此類問(wèn)題的發(fā)生。