某型发动机导管焊缝裂纹失效分析
某型发动机导管焊缝裂纹失效分析
摘要：通过对裂纹断口进行的宏、微观观察，成分检查和综合分析，结果显示，发动机导管焊缝的裂纹性质为疲劳裂纹，疲劳起始于焊缝靠近外表面处的疏松缺陷。钎焊部位存在疏松缺陷是导致焊缝产生裂纹的根本原因。
关键词：航空发动机；导管；疲劳断裂；焊接裂缝
中图分类号：TG142.33
1 引言
某发动机在检查时发现从层板节流器到加力汽化器导管(一下简称导管)焊缝出现2条裂纹。
该发动机总工作时间为799小时22分。导管材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢。导管焊接方法为钎焊。
2 检查与分析
2.1 外观检查
图1为导管及裂纹外观。导管呈“U”型，裂缝位于导管一端靠外侧的焊缝处，如图1(a)中箭头所示。裂纹分为两段，均沿焊缝周向分布，分别长约2mm、3mm。不锈钢管直径长约6mm，搭接管直径长约8.4mm，搭接宽度约为3.5mm。
裂纹打开后的断口形貌如图2所示。裂纹已经穿透焊缝。裂纹区断口较平整，为暗灰色，呈扇形分布，大小约为3.8mm×1.3mm。裂纹区断口上肉眼可见明显的由焊缝外表面向内表面扩展的疲劳弧线特征，疲劳区面积约占整个断口面积的20%。新打开断口呈亮白色，具有金属光泽。
图1 导管及裂纹外观(a)导管外观；(b)导管裂纹
图2 裂纹断口及疲劳形貌(a)裂纹断口；(b)疲劳区
图3 疲劳源区形貌(a)疲劳源区；(b)疲劳源区的疏松缺陷
2.2 微观检查
在扫描电镜下观察，疲劳源为多源，疲劳起始于焊缝外表面处的疏松缺陷。疏松缺陷沿焊缝周向呈带状分布，宽度200um，长约9mm。疲劳源区形貌见图3。图3(b)为疲劳源处的疏松缺陷，疲劳源区德疏松缺陷长约3mm。图4为断口特征形貌，图4(a)为疲劳弧线特征，图4(b)为瞬断区韧窝特征。疲劳区之外的疏松缺陷见图5所示。
图4 断口特征形貌(a)疲劳弧线特征；(b)瞬断区韧窝特征
2.3 成分检查
使用X射线能谱仪对导管断口和疏松缺陷进行成分检查，结果表明成分符合要求。
图5 疲劳区之外的疏松缺陷(a)疲劳区左侧；(b)疲劳区右侧
3 综合分析
导管焊缝的裂纹性质为疲劳裂纹，疲劳起始于焊缝表面处的疏松缺陷，这种疏松缺陷是焊料在金属凝固过程中产生的。
钎焊部位表层存在着疏松缺陷，沿焊缝周向呈带状分布，尺寸为200um×9mm。这些表面和亚表面缺陷面积较大或连续分布时就形成了对焊缝疲劳性能危害严重的面型缺陷。疏松一方面减少了裂纹部位的承载面积；另一方面破坏了表面的完整性，造成焊缝表层较大的应力集中。同时由于结构限制，导管外侧裂纹部位不可避免地存在有安装弯曲应力。因此，在使用过程中，导管在振动应力、内应力和安装弯曲预应力的作用下，疲劳从疏松缺陷处起始，并向内部扩展，直至穿透整个导管壁厚。
焊缝表面原本看不到裂纹，在长时间的工作过程中，焊缝亚表面萌生疲劳裂纹并扩展，裂纹逐渐张开，形成了肉眼可见的宏观裂纹。
因此钎焊部位存在疏松缺陷是导致焊缝产生裂纹的根本原因。
4 分析结论
(1)发动机从层板节流器到加力汽化器导管焊缝的裂纹性质为疲劳裂纹，疲劳起始于焊缝靠近外表面处的疏松缺陷。
(2)钎焊部位存在疏松缺陷是导致焊缝产生裂纹的根本原因。
