激光沖擊強化對加力燃燒室火焰探測器焊縫的影響

田 增 ，王亞洲 ，羅思海 ，李國杰

（1.空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院，西安 710038；2.西安天瑞達光電技術(shù)股份有限公司，西安 710077）

0 引言

某型渦扇發(fā)動機加力燃燒室火焰探測器自2015年至今共發(fā)生11 起裂紋故障，裂紋均出現(xiàn)在中心電極窗口處，在2017 年開始采用激光沖擊強化（Laser Shock Peening，LSP）工藝對中心電極窗口位置進行處理，窗口處裂紋問題得以根本解決。同時，為消除焊接拉應(yīng)力，對火焰探測器焊縫及熱影響區(qū)進行了激光沖擊強化處理。但在2019年底的外場測試中，1個經(jīng)激光沖擊強化處理后的火焰探測器因焊縫位置產(chǎn)生裂紋而導(dǎo)致發(fā)動機停車。針對火焰探測器中心電極窗口位置和焊縫位置材料完整性特征，并結(jié)合激光沖擊強化特點，對此次火焰探測器焊縫處開裂原因進行了分析。

孫慧等、劉建翔等對火焰探測器功用做了較為詳細介紹，作為發(fā)動機加力點火控制系統(tǒng)的組成部分，其中心電極通過氬弧焊的方式與探管焊接成為一體，用以感受發(fā)動機加力燃燒室火焰的點燃和熄滅。由于中心電極窗口位于焊接接頭熱影響區(qū)范圍內(nèi)，加之火焰探測器將承受包括發(fā)動機振動和加力氣流激振，窗口位置易造成疲勞開裂。激光沖擊強化技術(shù)是近些年應(yīng)用廣泛的1 項較先進的表面強化技術(shù)，采用短脈沖高能激光在金屬表面誘導(dǎo)產(chǎn)生高達10 GPa的沖擊波，可以在金屬表層預(yù)置1.5 mm 以上的殘余壓應(yīng)力層。Dorman 等、李啟鵬等的大量研究表明，激光沖擊強化技術(shù)可以有效提升含缺陷鋁合金部件、航空發(fā)動機葉片及眾多金屬零部件的疲勞壽命；隨著航空發(fā)動機性能不斷提升，為消除零部件焊接接頭拉應(yīng)力可能引起的連接件開裂問題，周磊等、蘇純等、黃瀟等、陳風(fēng)國等將激光沖強化技術(shù)應(yīng)用于焊接接頭的處理，均取得良好的效果；唐凱等、羅學(xué)昆等、CHOI 等研究表明，對于具有組織和結(jié)構(gòu)完整性的材料，激光沖擊強化處理后抗疲勞效果均顯著提升。

本文針對完整性較好材料，采用X射線衍射方法和金相方法分別測試了LSP 強化后殘余應(yīng)力和金相組織，對強化效果進行分析；采用掃描電子顯微鏡對開裂的斷口進行觀察；在Abaqus 有限元分析軟件中建立與焊縫分層結(jié)構(gòu)相似的有限元模型，對LSP沖擊波傳播過程進行了模擬仿真。結(jié)合試驗與有限元的研究成果，對激光沖擊強化后燃燒室離子火焰探測器開裂原因進行分析。

1 研究對象和試驗方法

1.1 研究對象

某型火焰探測器的中心電極材料為GH3044，探管材料為GH2747，通過氬弧焊的方式將二者焊接在一起，焊縫裂紋形貌如圖1 所示。裝機不到5 h，焊縫位置出現(xiàn)裂紋，以窗口為起點逆時針方向進一步觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋在焊縫位置已擴展至近3/4圓周。

圖1 火焰探測器焊縫裂紋形貌

激光沖擊強化區(qū)域如圖2 所示。從圖中可見，窗口處強化整個內(nèi)側(cè)截面，2 排光斑，均要求過邊，且窗口外圈1周1.5 mm進行強化；焊縫區(qū)域處理包含焊縫在內(nèi)，一側(cè)至窗口邊緣，另一側(cè)以焊縫邊緣向外延伸5 mm的整個周向區(qū)域均進行激光沖擊強化處理。

圖2 激光沖擊強化區(qū)域

采用西安天瑞達光電技術(shù)股份有限公司的YD60-M165 激光沖擊強化設(shè)備對圖2 區(qū)域進行激光沖擊強化處理。根據(jù)Fabbor 等提出的激光功率密度經(jīng)驗公式，并結(jié)合GH3044 合金和GH2747 合金的Hugoniot 彈性極限，激光沖擊能量為5 J，光斑直徑為2.2 mm，無吸收保護層，強化3次。

1.2 試驗方法

切取含裂紋的焊縫位置，對截面采用800#、1200#、1500#砂紙和金相拋光布進行磨拋處理，采用OLYMPUS SZ61 低倍顯微鏡對截面宏觀形貌進行觀察。采用LEICA DMI 3000 M 金相顯微鏡對含裂紋截面及強化前后的金相組織進行觀察。

在中心電極一端銑出15 mm×15 mm 平面，采用愛思特X 射線應(yīng)力測定儀對激光沖擊強化前后殘余應(yīng)力進行測試。測試方法為

側(cè)傾固定角，定峰方法為交相關(guān)法，使用Cr（Kα）輻射，起始角為134°，終止角為124°，角分別為0°、24.2°、35.3°和45°。

采用機械方法打開裂紋，打開過程中盡量不接觸斷口，避免斷口二次損傷，采用ZEISS EVO MA25 掃描電子顯微鏡對整個斷口進行觀察。

2 試驗結(jié)果

2.1 斷口形貌

2.1.1 焊縫縱向形貌

焊縫縱向形貌如圖3 所示。從圖中可見，焊縫處探管與中心電極焊后中間存在間隙。焊前貼合面可由未熔化中心電極凸臺邊緣確定，在裂紋傳播過程中穿過焊前貼合面擴展至焊縫外表面，裂紋底部位于探管一側(cè)靠近焊縫貼合面。

圖3 焊縫縱向形貌

2.1.2 斷口宏觀形貌

斷口取樣位置如圖4（a）所示。定義火焰探測器窗口位置為12 點，其余位置逆時針沿焊縫1 周而確定，沿裂紋將斷口打開后，觀察探管一側(cè)斷口，則3 點和9 點位置恰好相反。整個探管一側(cè)斷口宏觀形貌及位向關(guān)系如圖4（b）所示。從宏觀上看，沿斷口一周的內(nèi)壁上分布有多個裂紋源，呈放射狀向外壁擴展。

圖4 斷口形貌

2.1.3 斷口微觀形貌

在5 點鐘到6 點鐘位置，靠近內(nèi)壁出現(xiàn)了厚度約為100 μm 的組織缺欠，如圖5（a）所示。對組織缺欠位置放大至500倍（如圖5（b）所示），可見在組織缺欠處形成了近乎垂直走向的2 種形貌，并可見在相鄰條帶的谷底已經(jīng)萌生出二次裂紋，確定其延伸至組織缺欠處的位置為裂紋源。

圖5 組織缺欠

2.2 結(jié)構(gòu)完整性材料強化效果

2.2.1 殘余應(yīng)力

中心電極殘余應(yīng)力測試結(jié)果見表1。從表中可見，經(jīng)激光沖擊強化處理后，殘余壓應(yīng)力提升了1.93倍。

表1 中心電極殘余應(yīng)力測試結(jié)果

2.2.2 金相組織

在金相顯微鏡下，觀察火焰探測器探管材料在激光沖擊強化處理區(qū)和未強化區(qū)的金相組織（放大200倍），如圖6所示。參照GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測定方法》中方法及晶粒數(shù)統(tǒng)計規(guī)則，不同處理狀態(tài)金相組織中隨機放置2 個直徑相同虛線圓，對相同面積圓內(nèi)的晶粒數(shù)進行統(tǒng)計

圖6 金相組織（200倍）

式中：為晶?？倲?shù)；為虛線圓內(nèi)部晶粒數(shù)；為與虛線圓相交晶粒數(shù)。

激光沖擊強化區(qū)和未強化區(qū)的晶粒數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果見表2。從表中可見，在相同面積內(nèi)，激光沖擊強化區(qū)域晶?？倲?shù)高于未強化區(qū)的。

表2 晶粒數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

3 焊縫異常開裂原因分析

由于中心電極具有材料完整性特征，經(jīng)激光沖擊強化處理后，表面殘余壓應(yīng)力增大且晶粒得到細化。表面殘余壓應(yīng)力的增大可以有效平衡工件承受的拉應(yīng)力，對裂紋萌生有較好的抑制作用；晶粒得到細化后使晶界面積增加，對裂紋萌生和擴展的抑制作用更加明顯。

探管和中心電極之間存在間隙（圖3）。火焰探測器在工作狀態(tài)下的振動，會使探管產(chǎn)生徑向位移。根據(jù)剖面圖建立2 維有限元模型，將探測器左側(cè)固定，并在探管末端設(shè)置0.1 mm 的位移，分析其在振動環(huán)境中的受力狀態(tài)。中心電極和探管的材料均為高溫合金，彈性模量為203 GPa，泊松比為0.29。最小網(wǎng)格尺寸為0.03 mm，網(wǎng)格數(shù)量為4125，單元類型為CPS4R和CPS3，劃分后的有限元模型如圖7所示。

圖7 有限元模型

火焰探測器受力狀態(tài)有限元模擬結(jié)果如圖8 所示。從圖中可見，在火焰探測器振動條件下，中心電極與探管在靠近焊接位置為應(yīng)力集中區(qū)域，易產(chǎn)生疲勞破壞。

圖8 火焰探測器受力狀態(tài)有限元模擬結(jié)果

在Abaqus 有限元軟件中建立與圖5 斷口觀察的缺欠相似的3 維分層結(jié)構(gòu)1/4 有限元模型，如圖9 所示。焊縫層1厚度為0.9 mm，焊縫層2厚度為0.1 mm，二者之間的黏合剪切強度和黏合抗拉強度均設(shè)置為1000 MPa，材料均為高溫合金。激光沖擊光斑直徑為2.2 mm，由于所建立的為1/4模型，因此激光沖擊壓力區(qū)域為模型頂面的1/4 扇形，半徑為1.1 mm。最小網(wǎng)格尺寸為0.05 mm，單元類型為C3D8R，網(wǎng)格數(shù)量為16萬。

圖9 3維分層結(jié)構(gòu)1/4有限元模型

茍磊等、劉子昂等對激光沖擊波壓力加載模型做了大量研究，很好地模擬了沖擊波壓力在材料中的作用效果。

分層結(jié)構(gòu)激光沖擊強化仿真結(jié)果如圖10 所示。從圖中可見，在第25×10s 時，沖擊波作用于材料表面并向內(nèi)部傳播；在第175×10s時，沖擊波前沿到達材料分層界面處，由于沖擊波前沿的壓力相對較小，其產(chǎn)生的應(yīng)力未超過分層結(jié)構(gòu)的黏合強度，此時分層界面并未開裂；在第250×10s時，沖擊波峰值到達材料分層界面處，產(chǎn)生的應(yīng)力超過分層結(jié)構(gòu)的黏合強度，分層界面開裂；在第326×10s 時，在沖擊波的影響下，分層界面開裂程度進一步提高。

圖10 分層結(jié)構(gòu)激光沖擊強化仿真結(jié)果

火焰探測器開裂過程如圖11 所示。由于存在焊接缺陷，在火焰探測器焊縫區(qū)有分層結(jié)構(gòu)，在激光沖擊強化過程中，GPa 級的沖擊波使得分層結(jié)構(gòu)過早開裂，并萌生裂紋。在振動工作狀態(tài)下，在靠近焊合面處產(chǎn)生應(yīng)力集中，在振動載荷作用下，裂紋進一步擴展至整個厚度區(qū)域，造成火焰探測器在焊縫區(qū)開裂。

圖11 火焰探測器開裂過程

4 結(jié)論

（1）中心電極具有材料完整性較好的區(qū)域，經(jīng)激光沖擊強化后，可以在表層預(yù)置較大殘余壓應(yīng)力，并且使強化區(qū)晶粒細化；

（2）火焰探測器焊縫位置存在材料分層缺陷，裂紋在材料分層處萌生；

（3）激光沖擊強化過程中沖擊波作用于材料分層位置，使分層位置處加速開裂并萌生裂紋，在振動載荷作用下進一步擴展，最終貫穿整個焊縫。

建議優(yōu)化焊接工藝，提高焊接質(zhì)量，以降低在激光沖擊強化過程中的缺陷敏感性。