某型發(fā)動機導(dǎo)管焊縫裂紋失效分析
某型發(fā)動機導(dǎo)管焊縫裂紋失效分析
摘要：通過對裂紋斷口進行的宏、微觀觀察，成分檢查和綜合分析，結(jié)果顯示，發(fā)動機導(dǎo)管焊縫的裂紋性質(zhì)為疲勞裂紋，疲勞起始于焊縫靠近外表面處的疏松缺陷。釬焊部位存在疏松缺陷是導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生裂紋的根本原因。
關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機；導(dǎo)管；疲勞斷裂；焊接裂縫
中圖分類號：tg142.33
1 引言
某發(fā)動機在檢查時發(fā)現(xiàn)從層板節(jié)流器到加力汽化器導(dǎo)管(一下簡稱導(dǎo)管)焊縫出現(xiàn)2條裂紋。
該發(fā)動機總工作時間為799小時22分。導(dǎo)管材料為1cr18ni9ti不銹鋼。導(dǎo)管焊接方法為釬焊。
2 檢查與分析
2.1 外觀檢查
圖1為導(dǎo)管及裂紋外觀。導(dǎo)管呈“u”型，裂縫位于導(dǎo)管一端靠外側(cè)的焊縫處，如圖1(a)中箭頭所示。裂紋分為兩段，均沿焊縫周向分布，分別長約2mm、3mm。不銹鋼管直徑長約6mm，搭接管直徑長約8.4mm，搭接寬度約為3.5mm。
裂紋打開后的斷口形貌如圖2所示。裂紋已經(jīng)穿透焊縫。裂紋區(qū)斷口較平整，為暗灰色，呈扇形分布，大小約為3.8mm×1.3mm。裂紋區(qū)斷口上肉眼可見明顯的由焊縫外表面向內(nèi)表面擴展的疲勞弧線特征，疲勞區(qū)面積約占整個斷口面積的20%。新打開斷口呈亮白色，具有金屬光澤。
圖1 導(dǎo)管及裂紋外觀(a)導(dǎo)管外觀；(b)導(dǎo)管裂紋
圖2 裂紋斷口及疲勞形貌(a)裂紋斷口；(b)疲勞區(qū)
圖3 疲勞源區(qū)形貌(a)疲勞源區(qū)；(b)疲勞源區(qū)的疏松缺陷
2.2 微觀檢查
在掃描電鏡下觀察，疲勞源為多源，疲勞起始于焊縫外表面處的疏松缺陷。疏松缺陷沿焊縫周向呈帶狀分布，寬度200um，長約9mm。疲勞源區(qū)形貌見圖3。圖3(b)為疲勞源處的疏松缺陷，疲勞源區(qū)德疏松缺陷長約3mm。圖4為斷口特征形貌，圖4(a)為疲勞弧線特征，圖4(b)為瞬斷區(qū)韌窩特征。疲勞區(qū)之外的疏松缺陷見圖5所示。
圖4 斷口特征形貌(a)疲勞弧線特征；(b)瞬斷區(qū)韌窩特征
2.3 成分檢查
使用x射線能譜儀對導(dǎo)管斷口和疏松缺陷進行成分檢查，結(jié)果表明成分符合要求。
圖5 疲勞區(qū)之外的疏松缺陷(a)疲勞區(qū)左側(cè)；(b)疲勞區(qū)右側(cè)
3 綜合分析
導(dǎo)管焊縫的裂紋性質(zhì)為疲勞裂紋，疲勞起始于焊縫表面處的疏松缺陷，這種疏松缺陷是焊料在金屬凝固過程中產(chǎn)生的。
釬焊部位表層存在著疏松缺陷，沿焊縫周向呈帶狀分布，尺寸為200um×9mm。這些表面和亞表面缺陷面積較大或連續(xù)分布時就形成了對焊縫疲勞性能危害嚴重的面型缺陷。疏松一方面減少了裂紋部位的承載面積；另一方面破壞了表面的完整性，造成焊縫表層較大的應(yīng)力集中。同時由于結(jié)構(gòu)限制，導(dǎo)管外側(cè)裂紋部位不可避免地存在有安裝彎曲應(yīng)力。因此，在使用過程中，導(dǎo)管在振動應(yīng)力、內(nèi)應(yīng)力和安裝彎曲預(yù)應(yīng)力的作用下，疲勞從疏松缺陷處起始，并向內(nèi)部擴展，直至穿透整個導(dǎo)管壁厚。
焊縫表面原本看不到裂紋，在長時間的工作過程中，焊縫亞表面萌生疲勞裂紋并擴展，裂紋逐漸張開，形成了肉眼可見的宏觀裂紋。
因此釬焊部位存在疏松缺陷是導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生裂紋的根本原因。
4 分析結(jié)論
(1)發(fā)動機從層板節(jié)流器到加力汽化器導(dǎo)管焊縫的裂紋性質(zhì)為疲勞裂紋，疲勞起始于焊縫靠近外表面處的疏松缺陷。
(2)釬焊部位存在疏松缺陷是導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生裂紋的根本原因。