航空管路補(bǔ)償器平衡式波紋管開(kāi)裂原因

郭河苗

(太原航空儀表有限公司, 太原 030006)

航空管路補(bǔ)償器是飛機(jī)高壓管理系統(tǒng)的柔性連接和位移補(bǔ)償部件，一般由一個(gè)或幾個(gè)波紋管及結(jié)構(gòu)件組成，主要用于補(bǔ)償熱脹冷縮、振動(dòng)、機(jī)械位移、安裝誤差等原因引起的管路和設(shè)備尺寸變化，以消除管路系統(tǒng)的應(yīng)力，確保管路系統(tǒng)的安全[1]。管路補(bǔ)償器的核心補(bǔ)償元件為金屬波紋管，而波紋管在服役過(guò)程中會(huì)受到振動(dòng)、工作載荷、腐蝕等各種外力和環(huán)境作用，導(dǎo)致波紋管破壞，因此波紋管的耐久振動(dòng)壽命和位移疲勞壽命直接影響到管路補(bǔ)償器的使用壽命。金屬波紋管的失效形式通常包括疲勞開(kāi)裂、應(yīng)力腐蝕和過(guò)載斷裂等[2-7]。

某型號(hào)航空管路補(bǔ)償器由雙層波紋管組件構(gòu)成，其平衡式波紋管宏觀(guān)形貌如圖1a)所示，波紋管材料牌號(hào)為GH4169，單層壁厚約為0.60 mm，由卷管、焊接、固溶、校圓、液壓成型、整體時(shí)效、氣檢等工序加工而成。管路補(bǔ)償器在完成y向1 h功能振動(dòng)和2 h耐久振動(dòng)試驗(yàn)后發(fā)生泄漏，經(jīng)氣密性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，泄漏部位為其平衡式波紋管的第一個(gè)波峰處，經(jīng)觀(guān)察發(fā)現(xiàn)泄漏部位有一條肉眼可見(jiàn)的裂紋，裂紋沿波紋管周向延伸[見(jiàn)圖1b)]，在振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，管路補(bǔ)償器平衡式波紋管內(nèi)部加載2.0 MPa的壓力。為了找出該管路補(bǔ)償器平衡式波紋管開(kāi)裂的原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了一系列的理化檢驗(yàn)和分析，并對(duì)波紋管與兩側(cè)連接圈焊接接頭的質(zhì)量控制提出了建議，以避免該類(lèi)問(wèn)題再次發(fā)生。

圖1 平衡式波紋管宏觀(guān)形貌及裂紋位置

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀(guān)觀(guān)察

用體式顯微鏡觀(guān)察泄漏位置，發(fā)現(xiàn)平衡式波紋管第一個(gè)波峰外層有一條長(zhǎng)約11 mm的直線(xiàn)型裂紋，裂紋穿過(guò)縱焊縫沿波紋管周向延伸，并與縱焊縫方向垂直(見(jiàn)圖2)。將波紋管用線(xiàn)切割方式剖開(kāi)后，對(duì)裂紋周?chē)M(jìn)行觀(guān)察，發(fā)現(xiàn)波紋管與兩端連接圈通過(guò)電子束焊方式連接，平衡式波紋管靠近裂紋一端處只有外層波紋管與連接圈之間完成焊接，而內(nèi)層波紋管與連接圈之間未完成焊接，焊接接頭未熔合，存在焊接缺陷(見(jiàn)圖3)，與裂紋端相對(duì)另一端的內(nèi)、外層波紋管與連接圈之間焊接良好，未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷。

圖2 裂紋宏觀(guān)形貌

圖3 裂紋端焊接接頭位置示意及其宏觀(guān)形貌

1.2 斷口分析

采用Zeiss EVO18型掃描電子顯微鏡(SEM)觀(guān)察波紋管斷口,結(jié)果如圖4所示，斷口上可見(jiàn)從內(nèi)表面起始的疲勞臺(tái)階和向外輻射的放射狀條紋，可以確定裂紋起源于波紋管的內(nèi)表面，呈多源特征。裂紋從波紋管內(nèi)表面向外表面和沿周向兩側(cè)擴(kuò)展，已形成穿透性裂紋，且裂紋源區(qū)位于縱焊縫的兩個(gè)熱影響區(qū)附近，可見(jiàn)明顯的疏松、夾雜等表面缺陷，裂紋起源于缺陷的根部(見(jiàn)圖5,6)。裂紋擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)典型的疲勞條帶及二次裂紋(見(jiàn)圖7)，無(wú)明顯的瞬斷區(qū)。裂紋的最后人工撕裂區(qū)呈韌窩特征(見(jiàn)圖8)。

圖4 開(kāi)裂波紋管斷口SEM形貌

圖5 裂紋源區(qū)Ⅰ的SEM形貌

圖6 裂紋源區(qū)Ⅱ的SEM形貌

圖7 裂紋擴(kuò)展區(qū)SEM形貌

圖8 人工撕裂區(qū)SEM形貌

用無(wú)水乙醇對(duì)斷口進(jìn)行超聲清洗后，采用能譜分析儀(EDS)對(duì)裂紋源區(qū)附近的夾雜物進(jìn)行分析，結(jié)果顯示除基體元素和合金元素外，碳、氧、鋁元素含量異常偏高，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到38.70%，22.84%，16.41%，未見(jiàn)腐蝕性元素，初步判斷裂紋源區(qū)的夾雜物為氧化鋁夾雜物。

1.3 化學(xué)成分分析

采用碳硫分析儀和X射線(xiàn)熒光光譜儀分析管路補(bǔ)償器平衡式波紋管材料的化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示。由表1可知：元素含量均符合技術(shù)要求。

表1 波紋管材料化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.4 金相檢驗(yàn)

在平衡式波紋管裂紋的斷口處及波紋管兩端與連接圈的焊接接頭處分別截取橫向和縱向試樣，用光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行觀(guān)察。斷口處的縱向試樣拋光態(tài)表面存在明顯可見(jiàn)的B類(lèi)非金屬夾雜物(見(jiàn)圖9)，試樣經(jīng)腐蝕后觀(guān)察，斷口處的壁厚為0.59～0.64 mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。橫向試樣可見(jiàn)明顯的焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材分界，焊縫區(qū)的顯微組織為典型的樹(shù)狀晶，熱影響區(qū)和母材的顯微組織為均勻奧氏體，母材平均晶粒度為9.0級(jí)，焊縫熱影響區(qū)平均晶粒度為7.5級(jí)(見(jiàn)圖10)，均滿(mǎn)足技術(shù)要求。波紋管與兩端連接圈間的焊接接頭微觀(guān)形貌如圖11所示，由圖11可知：靠近裂紋一端的外層波紋管與連接圈之間焊接良好，而內(nèi)層波紋管與連接圈之間的焊接接頭未熔合，存在焊接缺陷；相對(duì)裂紋的另一端內(nèi)、外層波紋管與連接圈之間的焊接接頭均已熔合并焊透，符合焊接工藝要求。

圖9 縱向試樣拋光態(tài)微觀(guān)形貌

圖10 橫向試樣顯微組織

圖11 波紋管與兩端連接圈間的焊接接頭微觀(guān)形貌

1.5 硬度測(cè)試

在平衡式波紋管第一個(gè)波峰裂紋附近截取試樣橫截面，進(jìn)行鑲嵌、打磨和拋光后，用顯微硬度計(jì)測(cè)試其硬度，結(jié)果如表2所示。依據(jù)技術(shù)要求，波紋管材料經(jīng)過(guò)固溶和時(shí)效熱處理后的洛氏硬度應(yīng)不小于36 HRC，母材、焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的硬度均滿(mǎn)足技術(shù)要求。

表2 波紋管第一個(gè)波峰裂紋附近硬度測(cè)試結(jié)果

2 綜合分析

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，該管路補(bǔ)償器平衡式波紋管的化學(xué)成分、顯微組織和硬度均符合技術(shù)要求。

從平衡式波紋管的宏觀(guān)觀(guān)察結(jié)果可知：裂紋位于平衡式波紋管的第一個(gè)波峰，且穿過(guò)縱焊縫沿波紋管周向延伸，裂紋與縱焊縫方向垂直，波紋管與兩端連接圈通過(guò)電子束焊方式連接，內(nèi)層波紋管與連接圈之間焊接接頭未熔合，存在焊接缺陷。

從開(kāi)裂波紋管的斷口觀(guān)察結(jié)果可知：裂紋源區(qū)位于縱焊縫的熱影響區(qū)，可見(jiàn)明顯的疏松、夾雜等缺陷，裂紋擴(kuò)展區(qū)有典型的疲勞條帶及二次裂紋，裂紋的最后人工撕裂區(qū)呈韌窩特征，因此可以判斷平衡式波紋管的開(kāi)裂性質(zhì)為疲勞開(kāi)裂。根據(jù)能譜分析和金相檢驗(yàn)結(jié)果，可以判斷裂紋源區(qū)附近的夾雜物為B類(lèi)氧化鋁夾雜物，屬于脆性化合物相。

綜上所述，管路補(bǔ)償器平衡式波紋管的開(kāi)裂性質(zhì)為疲勞開(kāi)裂，其開(kāi)裂原因有兩個(gè)方面：一是平衡式波紋管靠近裂紋一端的內(nèi)層波紋管與連接圈之間焊接接頭未熔合，存在焊接缺陷，在正常條件下，雙層波紋管的夾層應(yīng)處于真空狀態(tài)，由于存在焊接缺陷，內(nèi)部氣體進(jìn)入雙層波紋管的夾層，使外層波紋管受到內(nèi)部氣體的附加壓力作用;二是裂紋源區(qū)存在疏松和B類(lèi)氧化鋁脆性?shī)A雜物等缺陷，降低了材料的抗疲勞性能,裂紋源區(qū)位于波紋管內(nèi)表面縱焊縫的熱影響區(qū)附近，由于焊接接頭的粗晶熱影響區(qū)是接頭的薄弱部位[8]，源區(qū)附近又存在疏松、夾雜等缺陷，破壞了波紋管基體組織的連續(xù)性，在內(nèi)部氣體壓力的作用下，產(chǎn)生應(yīng)力集中，基體與夾雜物之間界面分離，產(chǎn)生微孔，在波紋管軸向拉應(yīng)力的作用下，微孔和疏松不斷長(zhǎng)大、聚合，形成了裂紋。在內(nèi)部氣體壓力和振動(dòng)試驗(yàn)循環(huán)應(yīng)力的共同作用下，裂紋不斷向外表面和沿周向兩側(cè)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致波紋管開(kāi)裂。

3 結(jié)語(yǔ)及建議

該管路補(bǔ)償器平衡式波紋管的開(kāi)裂性質(zhì)為疲勞開(kāi)裂。建議嚴(yán)格控制波紋管與連接圈之間的焊接工藝及波紋管所用原材料質(zhì)量，并在管路補(bǔ)償器平衡式波紋管成型后，對(duì)波紋管與連接圈之間的焊接接頭進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，以避免焊接接頭存在未熔合等焊接缺陷。