發(fā)動機燃油供油導(dǎo)管開裂分析

王志宏 ， 李智鋒

（中航飛機股份有限公司，西安 710089）

0 引言

0Cr18Ni9 奧氏體不銹鋼具有良好的加工成型、抗氧化、焊接等性能，對氧化性酸有很強的耐腐蝕性，對堿溶液及大部分有機酸和無機酸亦有一定的耐腐蝕能力，因此在航空產(chǎn)品上應(yīng)用較為廣泛。該材料無法熱處理強化，但可以通過冷變形來提高鋼的強度水平[1]。

飛機在進行地面檢查時，發(fā)現(xiàn)一側(cè)發(fā)動機燃油供油導(dǎo)管漏油，供油接嘴焊縫處出現(xiàn)裂紋。導(dǎo)管材料牌號為0Cr18Ni9，壁厚為1.25 mm，外徑為50 mm，采用同材料的焊絲與同材料的供油接嘴焊接在一起。一般金屬材料的熔焊都要經(jīng)歷快速加熱、熔化、冶金反應(yīng)和凝固結(jié)晶4 個過程，最后形成接頭。由于焊接是一個局部的迅速加熱和冷卻過程，焊接件受到四周工件本體的拘束而不能自由膨脹和收縮，冷卻后便在焊件中產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形，熱過程和應(yīng)力使得焊接接頭及基體金屬的組織及性能均會發(fā)生明顯變化。焊接方法、工藝參數(shù)、選材及操作過程會直接影響到熔化、結(jié)晶以及固態(tài)相變過程，最終影響焊縫形態(tài)、焊接組織、性能以及焊接缺陷[2]。

本研究通過采用宏觀觀察、斷口觀察、化學(xué)分析、金相檢查等手段，分析導(dǎo)管的裂紋性質(zhì)與焊接質(zhì)量，并采用有限元方法分析焊縫形態(tài)對局部應(yīng)力的影響規(guī)律，根據(jù)分析結(jié)果提出改進建議，對該類材料導(dǎo)管的焊接質(zhì)量控制及導(dǎo)管裝配過程控制具有指導(dǎo)意義。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

對供油導(dǎo)管進行宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)管的直管裝配卡箍部位的漆層已被破壞磨損，露出導(dǎo)管金屬色，裂紋出現(xiàn)在供油接嘴與導(dǎo)管焊縫的側(cè)向根部，焊接部位可見氧化變色。導(dǎo)管全貌及裂紋、磨損位置見圖1。

在體視顯微鏡下對裂紋部位進行觀察，外表面的裂紋位于2 次焊縫收弧的重疊區(qū)，大部分位于焊縫根部，裂紋平直大致沿導(dǎo)管軸向擴展，裂紋中段穿過焊縫邊緣的粗糙部位，裂紋總長度約20 mm（圖2）。內(nèi)表面可見燒穿現(xiàn)象[2]，在燒穿區(qū)邊緣可見一條明顯的塑性變形線，該變形線與外表面裂紋位置相對應(yīng)，變形線穿過粗糙的燒穿區(qū)焊瘤邊緣，該處可見微裂紋（圖3）。

圖 1 導(dǎo)管全貌及斷裂、磨損位置Fig.1 Pipe morphology fracture position and abrasion position

圖 2 導(dǎo)管外表面裂紋形貌Fig.2 Crack morphology in outside surface of pipe

圖 3 導(dǎo)管內(nèi)表面裂紋形貌Fig.3 Crack morphology in inside surface of pipe

1.2 斷口觀察

將裂紋打開后在掃描電鏡下觀察斷口，其形貌見圖4。斷面較平齊，無明顯塑性變形。源區(qū)位于外表面，可見線性起源于該處并向?qū)Ч軆?nèi)側(cè)和兩側(cè)擴展的棱線（圖4a）。源區(qū)對應(yīng)的外表面較粗糙，為焊接凝固表面（圖4b）。裂紋擴展區(qū)可見疲勞條帶，后期可見人為撕裂韌窩形貌（圖4c）。內(nèi)表面焊瘤微裂紋的斷面上可見鏈狀氣孔及氧化物顆粒（圖4d）。

1.3 成分分析

在供油導(dǎo)管、供油接嘴及調(diào)取的同批次焊絲上取樣進行成分分析，結(jié)果見表1，均符合標準要求[3]。

1.4 金相檢查

垂直于焊縫切取試樣，磨拋、浸蝕后對焊縫截面組織進行檢查。導(dǎo)管熱影響區(qū)晶粒尺寸明顯大于基體晶粒，且靠近焊縫熔池邊緣熔合線附近的晶粒最為粗大（圖5a）。在裂紋源區(qū)焊縫處取樣，可見該處導(dǎo)管已燒穿，焊縫已經(jīng)穿透整個管壁厚度（圖5b）；在管內(nèi)壁形成高約0.26 mm 的焊瘤，在內(nèi)壁靠近焊縫熔池邊緣熔合線附近粗大的晶粒間還可觀察到晶間裂紋（圖5c）。

按試驗方法[4]對晶粒度進行評級，靠近焊縫熔池邊緣熔合線附近的晶粒度約為4 級，正?；w處的晶粒度為7 級，標準要求鋼管的晶粒度應(yīng)為5 級或更細[3]。在鋼管上取樣按相關(guān)試驗方法[5]進行晶間腐蝕試驗，試驗后對試樣進行彎曲，試樣表面未發(fā)現(xiàn)裂紋，符合標準要求[3]。

圖 4 斷口微觀形貌Fig.4 Fracture morphology

表 1 成分分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù) /%）Table 1 Chemical composition analysis results (mass fraction /%)

圖 5 焊縫金相組織Fig.5 Metallographic structure of weld

1.5 有限元模擬分析

由于疲勞裂紋位于焊縫收弧的重疊區(qū)，該處焊縫形態(tài)較為特殊，為了探究焊縫外輪廓幾何形狀對焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中影響規(guī)律，建立4 種典型焊縫幾何特征的角焊縫接頭的有限元模型。焊縫幾何特征如圖6 所示。其中圖6a～圖6c 顯示為凹型角焊接，焊縫凹度均為0.2 mm，焊縫坡度分別為40°、60°、30°。圖6d 顯示為凸型角焊接，焊縫凸度為0.8 mm，焊縫坡度為45°。

采用商用有限元分析軟件ANSYS Workbench對焊縫不同輪廓形狀對結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力強度的影響進行分析。按照圖6 所示焊縫尺寸分別建立4 個局部構(gòu)件簡化有限元模型，根據(jù)圖7 中導(dǎo)管服役過程中受到的應(yīng)力以及裝配方式對模型施加邊界條件，其中導(dǎo)管兩端施加固定支撐，供油接嘴端部施加垂直于導(dǎo)管的應(yīng)力F。

圖 6 4 種典型焊縫外形特征Fig.6 4 typical weld shape characteristics

圖8 為4 種典型焊縫在截面A 上的等效應(yīng)力分布圖。4 種形狀應(yīng)力集中區(qū)域均位于導(dǎo)管?焊縫融合線倒角處。實際斷裂位置與有限元分析的應(yīng)力集中位置相對應(yīng)。圖8a～圖8c 對比分析可知，隨著焊接坡度的增加，倒角處的應(yīng)力值越大，越容易萌生裂紋。圖8a、圖6d 對比分析發(fā)現(xiàn)，焊縫凸起會顯著增加應(yīng)力集中程度，因此在焊瘤處更容易萌生裂紋。

圖 7 邊界條件施加Fig.7 Boundary condition application

圖 8 4 種典型焊縫截面等效應(yīng)力分布圖Fig.8 Equivalent stress distribution of 4 typical weld sections

2 分析與討論

導(dǎo)管在接嘴焊縫根部2 次收弧的熱影響區(qū)存在一條長約20 mm 裂紋，中間穿過導(dǎo)管外表面焊縫邊緣的粗糙部位。對應(yīng)的內(nèi)表面可見燒穿現(xiàn)象，在燒穿區(qū)邊緣有一條與外表面裂紋對應(yīng)的塑性變形線，中間穿過粗糙的燒穿區(qū)焊瘤邊緣，該處存在焊接短裂縫。初步可以推斷導(dǎo)管裂紋是從外表面起始向內(nèi)表面擴展。

導(dǎo)管裂紋斷面平齊，無明顯塑性變形痕跡，擴展棱線明顯，源區(qū)位于焊縫根部較粗糙外表面。從源區(qū)的位置和形貌看，此處位于2 次焊縫收弧的重疊焊縫與正?；w的過渡區(qū)，表面存在一層薄且粗糙的熔融層缺陷，易形成應(yīng)力集中，促使裂紋由此萌生；擴展區(qū)可見典型的疲勞弧線及疲勞條帶等疲勞特征，這是識別和判斷疲勞失效的主要依據(jù)[6]。外側(cè)源區(qū)是向外發(fā)射疲勞弧線的中心，擴展階段斷口上最基本的宏觀特征是疲勞弧線?？拷鼉?nèi)表面有較薄一層人為撕裂區(qū)，特征為韌窩形貌。說明導(dǎo)管是在交變單向平面彎曲載荷作用下，從交變張應(yīng)力最大的外表面焊縫根部熱影響區(qū)萌生裂紋，然后沿壁厚方向疲勞擴展，裂紋性質(zhì)應(yīng)屬單向彎曲疲勞斷裂[7]。

導(dǎo)管內(nèi)壁焊瘤微裂縫斷口存在鏈狀氣孔及氧化物顆粒缺陷，其與疲勞裂紋直接貫通，兩者之間未發(fā)現(xiàn)韌窩形貌；加之斷口打開前檢查發(fā)現(xiàn)外側(cè)表面均為開口型裂紋，內(nèi)側(cè)表面除焊瘤處存在開口型微裂紋外，其余部位均為塑性變形線，表面未分離，說明疲勞裂紋由導(dǎo)管外壁向內(nèi)擴展局部與內(nèi)壁焊瘤微裂紋連通形成貫穿管壁的通道，油液由此向外滲漏。

金相檢查導(dǎo)管的基體組織顯示正常，無晶間腐蝕傾向性?；瘜W(xué)成分符合要求，說明導(dǎo)管的材質(zhì)正常，熱影響區(qū)晶粒度大于基體晶粒度也是焊接的固有特性，因此可以排除由原材料引起的故障。裂紋源區(qū)焊縫截面可見徹底穿透整個管壁厚度的燒穿組織，并且在管內(nèi)壁形成高約0.26 mm的焊瘤，在內(nèi)壁靠近焊縫熔池邊緣熔合線附近粗大的晶粒間還存在晶間裂紋，靠近熔合線區(qū)域的熱影響區(qū)晶粒度遠大于正常基體晶粒度。這種晶間裂紋是熔合線附近過熱區(qū)再次焊接時被加熱到高溫，雖然溫度尚未超過母材金屬的液相線，但晶界的低熔點化合物已發(fā)生熔化，在晶界形成液膜，降低晶間的結(jié)合強度，在焊接應(yīng)力的作用下導(dǎo)致的裂縫[8-9]。在一定程度上也證明2 次收弧進一步惡化該熱影響區(qū)域的組織及性能。

現(xiàn)代戰(zhàn)斗機都為高超音速飛機，動力裝置采用渦噴、渦扇型發(fā)動機，因而機體振動較強，尤其是起飛著陸時機體振動更強，導(dǎo)致固定在其上的導(dǎo)管發(fā)生振動。維修中也常常發(fā)現(xiàn)導(dǎo)管的固定卡箍松動及振落現(xiàn)象，這樣就會引起導(dǎo)管更強烈的振動而損傷[10]。檢查發(fā)現(xiàn)，直管裝配卡箍部位的漆層已被嚴重破壞磨損，露出導(dǎo)管金屬色，說明導(dǎo)管在使用過程中與配套卡箍存在相對往復(fù)運動，卡箍的支撐作用減弱也會導(dǎo)致局部振動應(yīng)力增大，誘發(fā)導(dǎo)管疲勞失效。

結(jié)合導(dǎo)管的安裝使用情況，發(fā)動機工作中，未被卡箍有效固定的供油導(dǎo)管受較大振動載荷作用，在較粗糙的接嘴焊縫根部形成的應(yīng)力集中處產(chǎn)生疲勞裂紋源，進而疲勞擴展，擴展到一定深度與內(nèi)表面燒穿區(qū)焊瘤邊緣的焊接微裂縫貫通，導(dǎo)致供油導(dǎo)管漏油。

3 改進措施

奧氏體不銹鋼焊接時應(yīng)選用小電流、快速焊來減少單位長度的輸入熱量，即減小線能量。采用較小的焊接線能量可降低熔池溫度，減少偏析的量；可減少熔池金屬，從而降低結(jié)晶凝固時的應(yīng)變量；減少線能量，有利于減少粗大枝晶的形成等，這些都是有利于降低裂紋敏感性的。在多層焊時，為使奧氏體不銹鋼的高溫停留時間盡量短，以防其晶粒長大，要等前一層焊縫冷卻后再焊接次一層焊縫。根據(jù)實際裂紋分布和焊道對應(yīng)力的影響[11]。通過改進焊接路徑和焊道形態(tài)，沿著一個方向焊一圈，降低起弧、收弧次數(shù)，并調(diào)整焊條角度、焊接電流、運條方法，嚴格控制焊接規(guī)范參數(shù)，進而改善接頭組織和焊縫形態(tài)，同時增加對內(nèi)側(cè)燒穿焊瘤情況的檢查，保證焊縫質(zhì)量。

飛機上液壓等導(dǎo)管大都采用卡子、卡箍固定，卡箍安裝位置對管子固有頻率有影響，不能隨意變動[12]；因此，針對此次疲勞破壞的應(yīng)力特點，通過調(diào)整并嚴格控制導(dǎo)管與卡箍的配合間隙和緊度，避免服役過程由于發(fā)動機的振動作用而引起兩者之間的相對往復(fù)運用，從而降低振動應(yīng)力對油管影響。

根據(jù)以上建議，制造部門對焊接工藝進行優(yōu)化，減少起弧、收弧次數(shù)，降低焊接電流，并采用內(nèi)窺鏡對內(nèi)表面的焊接燒穿現(xiàn)象進行嚴格檢查、控制；裝配部門對裝配指令進行調(diào)整，在安裝導(dǎo)管時調(diào)整其與卡箍的配合方式，使得兩者之間存在一定的預(yù)緊力，杜絕兩者之間的相對運動，降低振動應(yīng)力的作用。采取上述措施后，取得了良好的效果，到目前為止未發(fā)現(xiàn)類似問題的發(fā)生。

4 結(jié)論

1）未被卡箍有效固定的供油導(dǎo)管受較大振動載荷作用，在較粗糙的接嘴焊縫根部應(yīng)力集中處萌生疲勞裂紋，進而疲勞擴展與內(nèi)表面燒穿區(qū)邊緣的焊接微裂縫貫通導(dǎo)致導(dǎo)管焊縫漏油。

2）焊接2 次收弧疊加時的焊條角度、焊接電流、運條方法等運用不當，造成一個區(qū)域的材料多次經(jīng)歷加熱、熔化、冶金反應(yīng)和凝固結(jié)晶4 個過程，引起材料綜合性能的下降；同時，焊縫局部焊穿、表面與截面形態(tài)不良也促進疲勞開裂的發(fā)生。