焊接缺陷對(duì)機(jī)匣可靠性的影響

龐學(xué)佳，李宏偉，鄒獻(xiàn)輝

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七○三研究所，黑龍江哈爾濱 150078）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣是承力系統(tǒng)的主要構(gòu)件，其受力情況復(fù)雜多樣。由于結(jié)構(gòu)及工藝水平的限制，機(jī)匣大多采用分段焊接而成。某機(jī)壓氣機(jī)機(jī)匣為對(duì)開(kāi)式，分別由多段筒體、縱向安裝法蘭和中分法蘭焊接而成。在生產(chǎn)過(guò)程中，壓氣機(jī)機(jī)匣焊后經(jīng)檢測(cè)焊縫存在超出標(biāo)準(zhǔn)允許的鏈狀氣孔，該零件是否可以用于裝機(jī)?對(duì)含有鏈狀氣孔的焊接機(jī)匣的計(jì)算模型如何簡(jiǎn)化分析?本文通過(guò)設(shè)計(jì)與加工制造相結(jié)合，先對(duì)氣孔進(jìn)行簡(jiǎn)化建模，然后利用有限元分析軟件對(duì)該機(jī)匣簡(jiǎn)化模型進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算分析，最終確定焊接缺陷對(duì)機(jī)匣可靠性的影響。

1 焊接鏈狀氣孔檢測(cè)

為確定焊接缺陷分布及具體形貌，以便進(jìn)行針對(duì)性的分析計(jì)算，對(duì)此機(jī)匣焊縫進(jìn)行了多種方法的檢測(cè)。檢驗(yàn)分3步:①X射線(xiàn)照相檢測(cè)確定電子束焊焊縫存在鏈狀氣孔——不符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求;②對(duì)焊縫進(jìn)行了熒光檢測(cè)，焊縫表面未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)氣孔，上述2種檢測(cè)方法的結(jié)果說(shuō)明，該鏈狀氣孔存在于焊縫的內(nèi)部;③進(jìn)行工業(yè)CT（計(jì)算機(jī)輔助層析成像技術(shù)）檢測(cè)，確定氣孔的尺寸大小和分布位置。

由于每種檢測(cè)方法都有其特點(diǎn)和局限性。X射線(xiàn)照相檢測(cè)的特點(diǎn)是檢測(cè)靈敏度高，但由于其將立體的物體投影到平面上，因此無(wú)法給出缺陷在焊縫厚度方向的信息。而工業(yè)CT檢測(cè)，可以給出工件任何一個(gè)截面的質(zhì)量信息。但由于受工件尺寸及重量的限制，檢測(cè)的靈敏度無(wú)法達(dá)到X射線(xiàn)照相檢測(cè)的水平，也正是由于檢測(cè)特點(diǎn)的不同，造成檢測(cè)結(jié)果存在差異。為了準(zhǔn)確判斷缺陷在焊縫厚度方向的分布情況，對(duì)2種檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，最終確認(rèn)，2條焊縫內(nèi)的鏈狀氣孔分布在焊縫內(nèi)部，距離內(nèi)外表面1 mm的范圍內(nèi)，在厚度方向呈離散分布——壓氣機(jī)機(jī)匣氣密性不存在問(wèn)題，需要對(duì)存在鏈狀氣孔的壓氣機(jī)機(jī)匣的強(qiáng)度做出評(píng)定。

2 有限元分析

采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件PRO/E對(duì)壓氣機(jī)機(jī)匣建立三維簡(jiǎn)化模型，利用有限元計(jì)算分析程序Ansys對(duì)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 計(jì)算模型

壓氣機(jī)機(jī)匣的結(jié)構(gòu)可以看成是一個(gè)由一基本“扇區(qū)”段沿周向重復(fù)若干次而成的結(jié)構(gòu)，而且壓氣機(jī)機(jī)匣的載荷及邊界條件也具有同樣的重復(fù)性。所以采用循環(huán)對(duì)稱(chēng)應(yīng)力分析方法進(jìn)行分析，取1/200份進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型Fig．1Calculation model

2.2 邊界條件及網(wǎng)格劃分

根據(jù)計(jì)算得到的力分別在有限元模型以下部位施加邊界條件和載荷。

1）在柱坐標(biāo)系下，計(jì)算模型的后端面的節(jié)點(diǎn)約束軸向和周向;

2）在柱坐標(biāo)系下，計(jì)算模型的前端力;

3）柱坐標(biāo)系下，計(jì)算模型的前端面的節(jié)點(diǎn)在平均施加軸向的拉力;

4）計(jì)算模型的內(nèi)壁，施加內(nèi)腔壓力。

網(wǎng)格劃分運(yùn)用實(shí)體單元186類(lèi)型對(duì)模型進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分。6個(gè)氣孔用0.1 mm的元素大小，其余使用3 mm元素大小進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分情況見(jiàn)圖2。

圖2 計(jì)算模型孔周?chē)木W(wǎng)格劃分Fig．2The mesh around hole of computational model

2.3 計(jì)算參數(shù)

壓氣機(jī)機(jī)匣如圖3所示，其承擔(dān)的載荷包括經(jīng)由前軸承座、導(dǎo)流支柱傳遞過(guò)來(lái)的渦輪－壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子軸向力F1，滑油腔受力F2，渦輪轉(zhuǎn)子軸向力F3向前為正。綜上得出壓氣機(jī)機(jī)匣焊縫前所承受的軸向力為F，方向朝壓氣機(jī)進(jìn)氣方向;葉片排所受的扭矩為M1;整個(gè)壓氣機(jī)所受到的由燃機(jī)質(zhì)量引起的彎矩為M2;計(jì)算位置機(jī)匣所受壓力P1，計(jì)算位置機(jī)匣溫度T1。本計(jì)算分析中采用的材料牌號(hào)為1Cr12Ni3MoVN，該材料性能見(jiàn)文獻(xiàn)［1］。

圖3 壓氣機(jī)機(jī)匣Fig．3Compressor casing

2.4 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)載荷類(lèi)型的不同，分別對(duì)模型進(jìn)行4組計(jì)算，確定不同類(lèi)型的載荷對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。結(jié)果見(jiàn)圖4～圖7。

設(shè)計(jì)狀態(tài)下，壓氣機(jī)機(jī)匣計(jì)算對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力為42.4 MPa，每個(gè)氣孔的最大應(yīng)力相近，最大應(yīng)力位于氣孔邊緣，除氣孔周?chē)?倍直徑區(qū)域外，其他應(yīng)力在20.6 MPa左右，可見(jiàn)氣孔處的最大應(yīng)力是其他部分的2倍多（見(jiàn)表1）。材料1Cr12Ni3MoVN的σb=965 MPa，可以得出相應(yīng)的安全系數(shù)為22.7，存在氣孔缺陷的該低壓壓氣機(jī)機(jī)匣在靜強(qiáng)度方面有足夠的安全儲(chǔ)備。

3 結(jié)語(yǔ)

由于存在類(lèi)似于以上假設(shè)的氣孔的情況下，氣孔對(duì)周?chē)?倍直徑區(qū)域存在影響，各電子束焊焊縫氣孔周?chē)鷳?yīng)力將相應(yīng)放大到原來(lái)的2倍。

綜上，在確定存在焊接缺陷的零件是否可以使用時(shí)，以上計(jì)算系數(shù)可作為量化的指導(dǎo)值，對(duì)于從設(shè)計(jì)到實(shí)際的加工制造都具有指導(dǎo)意義。為進(jìn)行相關(guān)機(jī)匣設(shè)計(jì)、電子束焊焊接制造提供了量化的判定依據(jù)。

［1］陳家芝，劉鐵．工程材料實(shí)用手冊(cè)（第一卷）:結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼［M］．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001．

［2］胡海巖．機(jī)械振動(dòng)與沖擊［M］．北京:航空工業(yè)出版社，1998．

［3］航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)總編委會(huì)．航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第18冊(cè)）［M］．北京:航空工業(yè)出版社，2000．

［4］中國(guó)機(jī)械工程協(xié)會(huì)焊接分會(huì)．焊接手冊(cè):焊接方法與設(shè)備（第二版）［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001．

［5］陳仲波．球罐焊縫缺陷與焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬［D］．福州:福州大學(xué)，2006．

［6］章應(yīng)霖，游敏．焊接結(jié)構(gòu)工程［M］．北京:中國(guó)電力出版社，1995．