飛機(jī)主減撐桿焊接失效分析

宋奇慧

（黑龍江農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150088）

飛機(jī)主減撐桿焊接失效分析

宋奇慧

（黑龍江農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150088）

主減撐桿是飛機(jī)上的重要零件，目前主要采用15CrMnMoV鋼制造。焊接時(shí)采用國(guó)內(nèi)研制的H15CrMnMoV焊絲，采用鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接，但部分零件在焊后產(chǎn)生裂紋，不能滿(mǎn)足生產(chǎn)的實(shí)際要求。分析產(chǎn)品的裂紋，原因是氬氣超標(biāo)產(chǎn)生氫致裂紋。對(duì)15CrMnMoV鋼的焊接裂紋進(jìn)行失效分析，分析表明氬氣水分超標(biāo)是產(chǎn)生裂紋的關(guān)鍵因素。

可焊性；裂紋；失效分析

0 前言

某型直升機(jī)的主減撐桿、水平骨架、支撐座、后艙門(mén)拋放軸、起落架滑橇等均采用15CrMnMoV鋼制造。采用國(guó)內(nèi)研制的H15CrMnMoV焊絲和鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接，焊前15CrMnMoV鋼多為調(diào)質(zhì)狀態(tài)，進(jìn)行1～2 mm厚的結(jié)構(gòu)件焊接。其中主減撐桿在某次小批量焊接時(shí)，焊后發(fā)現(xiàn)多根產(chǎn)生裂紋[1]，主減撐桿是直升機(jī)上的關(guān)鍵部件，共4根成一定角度對(duì)稱(chēng)固定在主減速器和中央槳轂之間，用于連接機(jī)身和發(fā)動(dòng)機(jī)主減速器，承受很大的靜載荷和疲勞載荷[2]，如果有一根出現(xiàn)問(wèn)題就會(huì)造成機(jī)毀人亡的事故。為此曾先后加工共兩批主減撐桿，多根發(fā)現(xiàn)在焊縫熱影響區(qū)處有微裂紋。為保證生產(chǎn)進(jìn)度，必須進(jìn)行裂紋分析和試驗(yàn)，找出裂紋原因，解決這一問(wèn)題。

1 試樣制備和試驗(yàn)方法

零件的生產(chǎn)工藝為：叉耳接頭機(jī)加成型→磁力探傷→叉耳接頭熱處理→磁力探傷→叉耳接頭與桿體焊接→磁力探傷→X光→組件機(jī)加鏜孔→磁力探傷→組件表面鍍鎘→磁力探傷。主減撐桿由調(diào)質(zhì)狀態(tài)的桿體（直徑φ40 mm、壁厚1 mm的法國(guó)產(chǎn)15CDV6鋼管）和熱處理調(diào)質(zhì)后的叉耳接頭（由15CrMnMoVA鋼棒機(jī)加而成）組焊而成，見(jiàn)圖1。

圖1 主減撐桿Fig.1Welding of stay bar

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

觀察帶裂紋的焊件表面，發(fā)現(xiàn)表面有暗灰色的氧化皮，焊縫成形較好，焊道魚(yú)鱗紋均勻，裂紋均發(fā)生在叉耳的焊縫熱影響區(qū)一側(cè)，距焊縫熔合線0.5～

1.5mm，裂紋呈微小、斷續(xù)的特征。為進(jìn)一步驗(yàn)證裂紋性質(zhì)、查明裂紋原因，又加工了19件進(jìn)行試驗(yàn)。選用熱處理硬度HBS40～HBS350的叉耳，各工序按人、機(jī)、料、法、環(huán)的要求嚴(yán)格控制，操作人員是具有三級(jí)航焊證的經(jīng)驗(yàn)豐富的焊工，焊機(jī)是規(guī)定的美國(guó)米勒公司TR-250HF焊機(jī)，焊接工作間溫度23℃，濕度39％，符合工作間溫度不低于16℃，濕度小于90％的標(biāo)準(zhǔn)要求；焊前零件與焊絲進(jìn)行水力吹砂并烘干，檢查零件和焊絲表面無(wú)水跡、鐵銹、油污等雜質(zhì)；鉗工仔細(xì)研合接頭，并用清潔的布仔細(xì)擦拭零件內(nèi)壁，焊工焊前用砂紙對(duì)焊絲H15CrMnMoVA進(jìn)行打磨。在夾具上進(jìn)行桿體和叉耳接頭的組件焊接，先進(jìn)行定位焊，對(duì)稱(chēng)焊接四點(diǎn)，然后校形，校形后再在夾具上焊接，焊接時(shí)采用對(duì)稱(chēng)焊，轉(zhuǎn)動(dòng)管體焊接四分之一部分，再焊接反面的四分之一部分以減小焊接應(yīng)力。焊接規(guī)范參數(shù)如表1所示。

表1 主減撐桿焊接工藝參數(shù)Tab.1Parameter of welding for stay bar

2.1 初步分析和試驗(yàn)

焊接時(shí)發(fā)現(xiàn)焊縫正面、背面的氬氣保護(hù)流量必須大于規(guī)定值，否則保護(hù)不了熔池，零件表面會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的氧化；焊接后磁力探傷又發(fā)現(xiàn)4件有裂紋。

2.2 外觀檢查

觀察帶裂紋試件的焊縫外表面，焊道成形較好，裂紋距熔合線約1 mm。截取有裂紋部位在掃描電鏡下觀察，裂紋的低倍形貌和高倍形貌如圖2和圖3所示。其擴(kuò)展路徑曲折而裂紋最寬處約5.5μm。

圖2 叉耳裂紋掃描電鏡低倍形貌Fig.2Low amplificatory figure of crack by scanner

圖3 叉耳裂紋掃描電鏡高倍形貌Fig.3High amplificatory figure of crack by scanner

觀察垂直焊道和裂紋磨制金相試樣，在表面和亞表面均有裂紋，深度約40 μm。

2.3 掃描電鏡觀察

打開(kāi)零件焊道附近最長(zhǎng)的微裂紋，將斷口放入電鏡內(nèi)觀察，斷口低倍形貌如圖4所示，斷口基本上分為兩個(gè)區(qū)域。

圖4 斷口低倍形貌Fig.4Low magnification of the figure surface

Ⅰ區(qū)位于零件的外表面，為微裂紋部位，寬度約100 μm，斷口顏色發(fā)暗。Ⅱ區(qū)為人工打開(kāi)斷口，顏色發(fā)亮。Ⅰ區(qū)放大后形貌如圖5所示，可見(jiàn)該處為典型的沿晶斷裂特征，晶面干凈，未見(jiàn)腐蝕產(chǎn)物。

圖5 斷口上Ⅰ區(qū)的高倍形貌Fig.5High magnification of fracture of area

Ⅱ區(qū)放大后形貌如圖6所示，該處為典型的韌窩斷裂特征。

圖6 斷口上的韌窩形貌Fig.6Morphology of dimple of fracture surface

2.4 化學(xué)成分分析

原材料、焊絲化學(xué)成分分析結(jié)果如表2所示[3]。

表2 原材料及焊絲的化學(xué)成分Tab.2Chemic component of materials and rods ％

2.5 金相組織觀察

母材經(jīng)過(guò)焊接加熱后，促使金屬材料內(nèi)部發(fā)生某種組織轉(zhuǎn)變，顯著影響母材的機(jī)械性能。

觀察母材基體金相組織試樣，為板條馬氏體＋貝氏體組織（見(jiàn)圖7），未見(jiàn)異常組織，夾雜物檢查符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 母材金相組織Fig.7Metallographic structure of material

2.6 斷口能譜分析

對(duì)原材料及焊絲進(jìn)行能譜成分分析，結(jié)果見(jiàn)表3。分析部位形貌如圖8所示，有的晶界存在一定的銅元素偏聚。

表3 能譜分析結(jié)果Tab.3Result of analysis for energy spectrum

2.7 氫含量測(cè)定

對(duì)叉耳和焊道及焊道兩側(cè)的熱影響區(qū)取樣進(jìn)行氫含量測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表4，叉耳共取樣4個(gè)，焊道及其兩側(cè)的熱影響區(qū)共取樣7個(gè)。

3 結(jié)論

掃描電鏡的觀察結(jié)果表明，裂紋為表面或亞表面裂紋，長(zhǎng)度為幾百微米不等，并擴(kuò)展曲折時(shí)斷時(shí)續(xù)，產(chǎn)生時(shí)間為焊后不立即出現(xiàn)，而是有一定的時(shí)間間隔，具有延遲特征，因此從裂紋產(chǎn)生的部位、時(shí)間和裂紋形態(tài)分析，該裂紋可以初步判定為冷裂紋

中的延遲裂紋[4]。母材及焊絲的化學(xué)分析結(jié)果表明原材料合格，排除了因原材料不合格而引起裂紋的因素。從焊縫的外觀形態(tài)分析，焊縫波紋呈魚(yú)鱗狀，焊縫寬窄均勻，高度適中，無(wú)焊瘤、咬邊等缺陷，可見(jiàn)焊工操作手法很好。氫含量的測(cè)定結(jié)果表明，焊道及熱影響區(qū)的氫含量遠(yuǎn)高于母材，氫含量對(duì)強(qiáng)度級(jí)別不同的鋼的影響結(jié)果不同，對(duì)抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 800 MPa以上的鋼，焊縫中（2～3）×10-6的氫就可以導(dǎo)致氫致裂紋，對(duì)抗拉強(qiáng)度1 080～1 280 MPa的 15CrMnMoV鋼來(lái)說(shuō)，（12～18）×10-6的氫含量足以導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，所以該裂紋是氫致裂紋。在焊接條件下，焊接材料中的水分，焊件坡口附近的油污、鐵銹，保護(hù)氣體中的水分，以及空氣中的濕氣都是焊縫金屬中富氫的主要來(lái)源，在焊接過(guò)程中由于電弧的高溫作用，氫分解成原子或離子（即質(zhì)子）狀態(tài)，并大量溶解于焊接熔池中。在隨后冷卻和凝固的過(guò)程中，由于溶解度的急劇下降，氫極力向外逸出，在冷卻較快的焊接條件下，氫來(lái)不及逸出而殘存在焊縫金屬內(nèi)部，使焊縫中的氫處于飽和狀態(tài)，為氫致裂紋的產(chǎn)生提供了條件。

圖8 斷口Ⅰ區(qū)能譜分析部位形貌Fig.8Figure of energy spectrum for areaⅠ

表4 含氫量的測(cè)定（×10-6）Tab.4Determine of content for hydrogen

根據(jù)以上分析，結(jié)合試驗(yàn)中出現(xiàn)的氬氣流量異常的情況，最后認(rèn)定焊接用保護(hù)氣體可能不純，檢測(cè)結(jié)果表明：氬氣純度未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，其中水份嚴(yán)重超標(biāo)，超37.7倍。顯然超標(biāo)的水份是導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生氫致裂紋的關(guān)鍵因素。

焊接時(shí)氬弧焊的電弧弧柱會(huì)產(chǎn)生5 000℃的高溫，氬氣中的水份通過(guò)時(shí)產(chǎn)生分解，分解的氫溶解于高溫的熔池中，由于焊縫金屬的含碳量較低，焊縫在較高溫度發(fā)生了相變，氫的溶解度突然降低，氫迅速?gòu)暮缚p穿過(guò)熔合區(qū)向尚未發(fā)生奧氏體分解的熱影響區(qū)擴(kuò)散，而氫在奧氏體的擴(kuò)散速度較小，來(lái)不及擴(kuò)散到距離熔合區(qū)較遠(yuǎn)的母材，因此在熔合區(qū)附近形成了富氫地帶。同時(shí)叉耳的熱處理強(qiáng)度規(guī)定為1 080～1 280 MPa，桿體的熱處理強(qiáng)度為980 MPa，叉耳的淬硬組織更多，淬硬組織硬而脆，其塑性和韌性差，松弛應(yīng)力的能力差，加之馬氏體組織的體積最大，氫成為馬氏體組織間隙原子的幾率最高，所以叉耳側(cè)的熱影響區(qū)氫含量最高，在應(yīng)力、淬硬組織的共同作用下，在叉耳側(cè)產(chǎn)生了氫致裂紋。

生產(chǎn)中又進(jìn)行了換氬氣焊接試驗(yàn)，氬氣選用另一廠家的檢驗(yàn)合格的氬氣，仍按照原工藝流程和工藝參數(shù)進(jìn)行加工，試樣焊接后進(jìn)行磁力探傷檢驗(yàn)和X光檢查，結(jié)果全部合格，證明了分析的正確性。

[1]中國(guó)航空材料手冊(cè)編輯委員會(huì).中國(guó)航空材料手冊(cè)第一分冊(cè)[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002：75-76.

[2]李成功，傅恒志，于翹.航空航天材料[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002：1-41.

[3]隆文慶.提高15CDV6低合金鋼工藝性能的探討[J].四川冶金，2001（03）：112-113.

[4]王國(guó)凡.材料成形與失效[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：18-20.

Failure analysis on welding crack of main reducing rod of aircraft

SONG Qihui
（Heilongjiang Agricultural Engineering Vocational College，Harbin 150088，China）

The main reducing rod is an important part of the aircraft,mainly produced by 15CrMnMoV steel.Welding is used in the domestic development of H15CrMnMoV welding wire，the use of tungsten argon arc welding，but some parts in the welding crack，can not meet the actual requirements of production.Analysis of cracking products，the reason is the hydrogen induced cracking of argon.Failure analysis ofweldingcrack of15CrMnMoVsteel，the analysis shows that the keyfactor ofthe crack is the excess ofargon gas.

weldability；crack；failure analysis

TG457.2

A

1001－2303（2016）09－0088-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.20

2015-06-09；

2016-08-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（59493300）；教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(9800462)

宋奇慧（1975—），女，黑龍江人，副教授，碩士，主要從事材料成型的研究工作。