發(fā)動機(jī)引氣管開裂分析

郭 強 ， 李智鋒 ， 李 波 ， 陳雷波

（中航飛機(jī)股份有限公司測試中心，西安 710089）

0 引言

發(fā)動機(jī)引氣通常從發(fā)動機(jī)的中壓級或高壓級壓縮機(jī)引氣，通過與發(fā)動機(jī)連接的引氣管，流向各個壓力調(diào)節(jié)活門與關(guān)斷活門，調(diào)節(jié)引氣壓力與溫度，供給飛機(jī)各個用氣系統(tǒng)。引氣管作為供氣通道的基本單元，起著至關(guān)重要的作用，它直接影響著發(fā)動機(jī)引氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。若出現(xiàn)引氣管路開裂漏氣，高溫高壓氣體泄漏將會對發(fā)動機(jī)附件造成損害，同時也會影響與引氣系統(tǒng)相通的其他各個用氣系統(tǒng)的工作，對飛機(jī)各個用氣系統(tǒng)的性能及可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

在地面檢查過程中，發(fā)現(xiàn)引氣管支耳焊縫附近出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致引氣管工作時漏氣，嚴(yán)重影響引氣系統(tǒng)的正常工作。

引氣管材料為5A02 鋁鎂合金，該合金是Al-Mg 系中含Mg 較低的合金，不可熱處理強化，適用于制造有高度工藝塑性要求和耐腐蝕性要求的焊制輕載荷結(jié)構(gòu)[1]。合金的接觸焊、點焊、滾焊性能良好，焊接時極易被氧化，焊接變形大，易產(chǎn)生氣孔。氬弧焊焊接時有形成結(jié)晶裂縫的傾向[2]。姚宗湘等[3]提出采用相應(yīng)的工藝措施，改善組織，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭；吳興歡等[4]提出采用攪拌摩擦焊焊接可以獲得細(xì)密的接頭組織，焊縫力學(xué)性能無顯著退化，沖擊韌性得到提高。迄今為止，鋁合金焊接技術(shù)在各個行業(yè)的使用越來越廣泛，并且得到了較大的發(fā)展[5-6]。

本研究對引氣管失效件進(jìn)行宏觀觀察與微觀分析，判定主要失效模式，研究失效機(jī)理，并提出相應(yīng)的改進(jìn)建議。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

引氣管開裂部位位于支耳底座處的焊縫區(qū)域，沿著支耳底座焊縫根部熱影響區(qū)，橫穿引氣管焊縫擴(kuò)展。支耳底座靠近裂紋一角（圖1 中箭頭A 所指）存在明顯的凹陷現(xiàn)象，突起處漆層脫落而露出材料基體（圖1），可見開裂部位縫隙較大，在引氣管卡箍固定區(qū)域也存在漆層磨損的凹陷區(qū)域。

1.2 斷口形貌檢查

將開裂處人為分離，在體視顯微鏡下對斷口進(jìn)行觀察。整個斷面分為焊縫斷面和母材斷面兩部分，焊縫斷面顯示擴(kuò)展棱線（圖2）。

圖 1 開裂部位形貌Fig.1 Crack morphology

圖 2 整個斷面形貌Fig.2 Whole fracture morphology

掃描電鏡下對斷口進(jìn)行觀察，在焊縫斷面處可見裂紋擴(kuò)展棱線及疲勞弧線，其收斂方向位于焊道突起區(qū)域，放大后可見疲勞條帶（圖3a、圖3b）。焊縫區(qū)域母材側(cè)斷口嚴(yán)重磨損，在熱影響區(qū)附近可見收斂于焊縫母材側(cè)外表面的擴(kuò)展棱線和疲勞弧線，放大后可見疲勞條帶（圖3c、圖3d）。在開裂部位A 區(qū)域進(jìn)行觀察，可見收斂于A 區(qū)域外表面的擴(kuò)展棱線和疲勞弧線，放大后可見疲勞條帶。

2 有限元模擬受力分析

2.1 靜力狀態(tài)分析

圖 3 斷口微觀形貌Fig.3 Micro morphology of fracture

圖 4 引氣管模型Fig.4 The model of intake pipe

利用有限元分析的方法，建立引氣管模型，如圖4 所示。引氣管安裝狀態(tài)為一端受卡箍固定在框體結(jié)構(gòu)上，在支耳處由拉桿連接銷釘結(jié)構(gòu)固定，引氣管另一端通過波紋管與發(fā)動機(jī)相連接。取卡箍固定處為固定約束，支耳端約束為圓柱體壓縮約束，靠近支耳一端引氣管設(shè)為無摩擦接觸。引氣管工作時內(nèi)部有高壓氣體流動，對引氣管內(nèi)壁增加壓力載荷。采用線性靜力結(jié)構(gòu)分析方法，設(shè)氣體壓力為2.0 MPa，支耳處預(yù)應(yīng)力為500 N 進(jìn)行模擬。計算后得到引氣管等效應(yīng)力云圖（圖5）和等效總變形量云圖（圖6）。觀察支耳處變形情況（圖7），可見應(yīng)力較大位置在支耳處，即引氣管在工作時受到連接支耳處拉桿傳來的作用力影響較大。在作用力的影響下，使支耳座邊緣區(qū)域出現(xiàn)凹陷變形情況。

圖 5 引氣管等效應(yīng)力云圖Fig.5 Equivalent stress nephogram of intake pipe

圖 6 引氣管總變形量云圖Fig.6 Total deformation nephogram of intake pipe

圖 7 支耳處應(yīng)力情況Fig.7 Stress at the ear

2.2 模態(tài)分析

引氣管在靜態(tài)假設(shè)下受到預(yù)應(yīng)力的作用，管路一端由卡箍固定，在預(yù)應(yīng)力作用下引起引氣管振動。為確定此結(jié)構(gòu)的振動特性，采用模態(tài)分析。計算振動模型的變形情況，取前6 階進(jìn)行模擬，如圖8 所示。

3 分析與討論

焊接結(jié)構(gòu)多為疲勞失效。由于在焊接接頭處具有應(yīng)力集中、焊接缺陷和焊接殘余應(yīng)力，使其疲勞強度比母材金屬低，因此焊接結(jié)構(gòu)的疲勞失效多在焊接接頭處產(chǎn)生。從斷口觀察可知，焊縫斷面可見裂紋擴(kuò)展棱線及疲勞弧線，其收斂方向位于焊縫突起區(qū)域，說明此處存在疲勞源區(qū)；母材斷面可見收斂于母材外表面的擴(kuò)展棱線和疲勞弧線，說明裂紋是從母材斷面的內(nèi)表面和外表面起源的，沿管壁厚度方向裂透后再向兩側(cè)擴(kuò)展。在耳片底座A 區(qū)域可見收斂于A 區(qū)域外表面的擴(kuò)展棱線和疲勞弧線，說明在耳片底座A 區(qū)域也存在疲勞源區(qū)。由此可見，中心焊縫處與A 區(qū)都存在疲勞源區(qū)，分別向各自的兩側(cè)擴(kuò)展，達(dá)到一定程度后相遇貫通。

圖 8 六階模態(tài)模擬情況Fig.8 Six-order modal simulation

引氣管靠近支耳端的一側(cè)管接頭與發(fā)動機(jī)的波紋管相連，考慮到波紋管的補償位移的作用，相對于發(fā)動機(jī)影響可以忽略不計，但是連接發(fā)動機(jī)的框架的拉桿對引氣管的作用力情況則需考慮。靜力狀態(tài)時，引氣管內(nèi)部存在高壓氣體流動，對管壁會產(chǎn)生影響，但由于不會對整體安裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的影響，故將支耳處拉桿的作用力設(shè)為主要因素。參考靜力狀態(tài)分析圖可見，最大應(yīng)力出現(xiàn)在支耳孔附近，最大變形區(qū)域在彎管處。引氣管工作時并非簡單的靜力狀態(tài)，由于拉桿作用在支耳處預(yù)應(yīng)力的激勵作用，引氣管結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)振動。參考6 階模態(tài)模擬的分析圖可見，在一定振動頻率下，引氣管的支耳以及彎管處的外圈表面成為了變形量比較大的區(qū)域，并伴隨著整個引氣管在工作時出現(xiàn)搖擺的情況。這對處于已存在裂紋源區(qū)域的結(jié)構(gòu)是極為不利的，會加快裂紋的擴(kuò)展。

鋁合金焊接接頭斷裂一般位于焊縫邊緣和熔合線區(qū)域，這是因為在焊接過程中熔合區(qū)處于液固共存區(qū)，存在著成分、組織、性能的不均勻性，是焊接接頭的薄弱部位。如果存在焊接缺陷（氣孔或未焊透），會對焊接頭的疲勞性能產(chǎn)生影響[7-8]。機(jī)械零件由于結(jié)構(gòu)上的要求，一般都存在截面變化、拐角和孔等。在這些形狀變化處，不可避免地要產(chǎn)生應(yīng)力集中，而應(yīng)力集中又必然使零件的局部應(yīng)力提高。當(dāng)零件承受靜載荷時，由于常用的結(jié)構(gòu)材料都有一定的塑性，在破壞前有一個宏觀塑性變形過程，使零件上的應(yīng)力重新分配，自動趨于均勻化。因此，應(yīng)力集中對零件的靜強度沒有多少影響。而疲勞破壞情況則完全不同，破壞之前不產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形，零件的疲勞強度主要取決于最大應(yīng)力處附近的局部應(yīng)力情況。因此，應(yīng)力集中處的疲勞強度往往比光滑部分低，常常成為零件的薄弱環(huán)節(jié)。引氣管整個裂紋出現(xiàn)在支耳底座邊緣焊接熱影響區(qū)域，在支耳邊緣一處出現(xiàn)了彎管焊縫與支耳底座焊縫相交區(qū)域。焊接連接是剛性連接，焊接接頭通過焊縫把兩母材熔合成連續(xù)的、不可拆卸的整體，兩母材之間沒有任何松動的可能。結(jié)構(gòu)一旦開裂，裂紋很容易從一個構(gòu)件穿越焊縫傳播到另一構(gòu)件，造成開裂。此處由于存在兩次焊接過程，材料不均勻性增大，相當(dāng)于內(nèi)在的應(yīng)力集中，在沒有施加外部應(yīng)力時，材料的敏感性[9]已經(jīng)存在。另外，焊接接頭本身就是結(jié)構(gòu)上不連續(xù)部位，這些接頭的焊根處很容易成為應(yīng)力集中點，疲勞破壞一般從應(yīng)力集中處開始，而焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞又往往從焊接接頭處產(chǎn)生，所以接頭一般會成為裂紋的源區(qū)。在長時間承受交變載荷的作用下，由于裂紋擴(kuò)展而發(fā)生疲勞破壞。

4 改進(jìn)措施

1）進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計，將卡箍固定一端引氣管接頭連接方式改成軟連接，使得從框體傳遞到引氣管的振動激勵由軟連接處減弱或消除；

2）焊接時使用第二類焊劑[10]，用較小焊接線能量就可使對接處熔化金屬迅速熔合，熔池下漏程度減輕，使背面焊縫與母材平穩(wěn)過渡，減少應(yīng)力集中；

3）采用瞬時液相擴(kuò)散連接技術(shù)（TLP 連接）[11]，可以使焊接頭組織與母材相似且連續(xù)，晶粒跨界面生長，性能達(dá)到母材的水平。

5 結(jié)論

1）引氣管失效形式是交變載荷引起的呈多源區(qū)特征的疲勞斷裂。

2）引氣管工作狀態(tài)比較復(fù)雜，在振動工況下一旦出現(xiàn)裂紋，則會加快裂紋的擴(kuò)展速率。

3）焊接彎管后產(chǎn)生的焊縫與在彎管上再次焊接支耳底座的焊縫相重疊，對應(yīng)力集中比較敏感，易導(dǎo)致疲勞裂紋產(chǎn)生，在交變載荷作用下使裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，并穿越焊縫形成開裂。