基于1Cr11Ni20Ti2B鋼卡箍斷裂原因分析及改進

陳體磊 張迪 張志強 吳笑笑 邢敬偉

摘要：卡箍在飛機上應用廣泛，常用于各種氣瓶的固定，其質量關系著飛行安全。飛機冷氣瓶固定卡箍經常發(fā)生箍體斷裂問題。用點焊方式焊接斷裂位置處，通過體視觀察、斷口金相觀察、斷面成分分析、低倍試驗、拉伸試驗分析發(fā)現(xiàn)，卡箍斷裂屬于腐蝕疲勞斷裂，疲勞源在卡箍表面焊點與熱影響區(qū)交界處;金相檢查發(fā)現(xiàn)卡箍焊點與熱影響區(qū)的交界處存在細小裂紋。分析了卡箍斷裂原因，并提出了預防措施。

關鍵詞：失效分析;腐蝕疲勞;焊接缺陷;1Cr11Ni20Ti2B焊接

中圖分類號：TG457.11 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）04-0101-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.04.20

0 ? ?前言

飛機的冷氣氣瓶固定卡箍是用1.2 mm厚的1Cr11Ni20Ti2B鋼板制成的鋼帶經沖壓、彎折、電阻焊接而成的環(huán)形件。卡箍的技術性能要求較高，工作條件惡劣，一旦失效會影響系統(tǒng)性能，從而影響飛機壽命。卡箍有嚴格的密封性要求，并且要具有抗高溫變形和氣體流動、抗各種沖擊載荷等特性，以應對各種復雜飛行環(huán)境的考驗。

文中詳細分析了氣瓶固定卡箍的宏觀、斷口宏微觀，并通過材料成分分析、低倍試驗、拉伸試驗等分析了影響卡箍斷裂的原因。

1 試驗過程與結果

1.1 宏觀及體視觀察

該卡箍是通過卡箍帶螺紋一側從螺栓套一側穿出，將兩側螺栓套組合起來，從而固定住卡圈，并進一步將鎖緊螺母箍緊，組合卡箍成一體，實現(xiàn)其功能，如圖1所示。宏觀觀察發(fā)現(xiàn)，卡箍帶螺紋一側焊接位置處斷裂失效，該處由兩層相同材質的1.2 mm+1.2 mm厚度的1Cr11Ni20Ti2B鋼點焊而成，斷裂點在內側箍帶部位，斷面沿兩個點焊位置邊緣延伸呈不規(guī)則斷裂，同時邊沿處未見機械損傷跡象，其變形角度較大，如圖2所示。

1.2 斷口微觀形貌

用丙酮清洗卡箍斷口后，在掃描電鏡下進行觀察，斷面微觀形貌如圖3所示?？梢钥闯?，點焊處有明顯變形，分析其原因是：在壓力作用下，瞬時大電流將兩層母材焊接在一起，卡箍箍帶母材會有一定的變形量。

斷口擴展區(qū)相比其他區(qū)較為平整，可見部分弧形裂紋棱線無規(guī)則地交叉，形成較稠密的擴展線，這些擴展線的交點即為疲勞裂紋源[1]。這是多種疲勞源的典型特征，也是腐蝕疲勞的典型特征[2]。通常腐蝕疲勞為多源疲勞，分布有較多的腐蝕產物。因此，初步分析該卡箍是腐蝕疲勞開裂引起的疲勞斷裂。腐蝕疲勞源區(qū)通常能看到沿晶斷口上的細微明顯特征，如圖4所示。

進一步觀察發(fā)現(xiàn)，撕裂棱線從焊點壓痕處開始，可判定斷裂起源于兩焊點壓痕與基體交接處，即外表面焊縫的熱影響區(qū)交接處，卡箍表面的疲勞源區(qū)附近有釬細型開口形狀裂紋，如圖5所示。

觀察箍帶表面痕跡、損傷發(fā)現(xiàn)，斷口位置無明顯的磨損痕跡，如圖6所示。

瞬斷區(qū)呈現(xiàn)韌窩斷裂特征，部分斷面存在密密麻麻、不規(guī)則分布的韌窩[3]，韌窩大小、深淺程度、凹凸感不同，分析疲勞斷裂表現(xiàn)為塑性斷裂，如圖7所示。

1.3 斷口表面材料化學成分

為進一步研究疲勞裂紋產生的原因，在斷裂件上取樣，采用光譜法進行化學成分分析，結果見表1。斷裂鋼帶的主要元素含量符合技術條件的要求。

1.4 低倍試驗

在斷裂件上切取一焊點試片，沿焊點中心部位橫向制成金相試樣，截取斷面所在焊點截面進行低倍檢驗，并分析焊接質量。根據(jù)HB 5282 《結構鋼和不銹鋼電阻點焊和焊縫質量檢驗》中相關要求，斷面處兩個焊核焊透率約為58%，符合要求（見圖8）。同時，低倍腐蝕后觀察熔核形貌，熔核直徑3.6 mm，焊透率67%，壓痕深度0.16 mm。其中，熔核直徑、焊透率滿足設計要求，同時未見氣孔、縮孔及裂紋缺陷（見圖9），說明焊接質量合格。

1.5 拉伸試驗

選取50件點焊試樣，焊接參數(shù)如表2所示，點焊前用丙酮清洗試樣表面，去除油污，并用180#砂紙清理焊點處，進行100%X光檢測，合格后進行拉伸試驗，50個試件的平均值為6 491.06 N，試驗值均在平均值的±10%范圍內，滿足產品技術要求。具體分布如圖10所示。

2 分析與討論

通過微觀觀察初步判斷該卡箍斷裂為疲勞斷裂。由金相組織、斷口表面化學成分可知，母材材料符合技術條件要求。而從斷口區(qū)典型的疲勞條帶特征進一步證實了疲勞斷裂是引起卡箍斷裂的原因，并根據(jù)以往同類產品實踐經驗，加上疲勞裂紋擴展性能研究[4-6]，觀察箍帶表面摩擦痕跡，斷口位置未見明顯的機械磨損痕跡。從宏觀上看，斷口側表面無機械損傷特征，但斷裂后的卡箍張開角度程度較大，證實安裝狀態(tài)的卡箍表面殘余拉應力較大，這必然導致零件局部應力提高[7]。殘余壓應力使疲勞斷裂抗力增大，影響抗疲勞性能，而殘余拉應力使疲勞斷裂抗力進一步降低[8-9]，減弱卡箍抗拉強度同時削弱了其承載能力。綜上分析可知，應力集中處往往是構件破壞的起始點[10]，最終引起卡箍斷裂失效。應力釋放形成較大的張開角度，變形量達到一定程度引起卡箍斷裂。建議嚴格控制卡箍裝配過程，減小安裝造成的殘余拉應力。

可知斷裂失效原因為：（1）焊接過程中工藝參數(shù)調整不當，熱輸入較大，卡箍表面存在殘余應力;（2）電極壓力大，焊點壓痕深度過大，使焊接接頭有效受力面積減小;（3）裝配工藝不當，存在殘余拉應力。

可采取以下措施：（1）優(yōu)化焊接工藝，改善焊點的金相組織;（2）降低卡箍裝配中拉應力;（3）增加卡箍的探傷檢測工序。

3 結論

（1）卡箍斷裂由疲勞引起，疲勞源區(qū)在卡箍表面焊縫與熱影響區(qū)的交界處。金相觀察發(fā)現(xiàn)在卡箍表面的疲勞源區(qū)附近有細小裂口，需加強對卡箍焊接質量的檢查，杜絕將有細小裂口的卡箍件安裝到機體。

（2）應力集中引起疲勞裂紋，通過優(yōu)化工藝參數(shù)、減少熱輸入、降低裝配過程中的應力等措施，降低零件上應力集中對其性能的影響。

（3）嚴格控制焊接過程，增加探傷檢測工序。

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收稿日期：2020-11-08

作者簡介：陳體磊（1987—），男，學士，工程師，主要從事航空焊接的相關研究。E-mail：450674937@qq.com。