某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室外套搭接滾焊縫裂紋對(duì)使用壽命的影響

祁圣英，鄭 濤，楊 俊

（空軍西安局某軍代表室，西安 710021）

1 引言

在某型發(fā)動(dòng)機(jī)完成階段壽命返廠大修過程中，發(fā)現(xiàn)多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室外套兩端搭接滾焊縫處存在裂紋。為了確保產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)新外套進(jìn)行了熒光探傷檢查，又發(fā)現(xiàn)了部分新生產(chǎn)的外套存在裂紋。為此，從設(shè)計(jì)、工藝、人員、設(shè)備、原材料和焊接操作等方面，對(duì)搭接滾焊縫裂紋進(jìn)行了冶金和有限元強(qiáng)度分析、焊縫裂紋擴(kuò)展壽命、試片疲勞和全壽命疲勞試驗(yàn)等，開展了搭接滾焊縫裂紋故障對(duì)燃燒室外套使用壽命的影響研究。

2 故障件冶金分析

2.1 結(jié)構(gòu)簡介

燃燒室外套主要由前、后安裝邊和筒體組成，其材料均為1Cr18Ni9Ti。筒體含3條縱向焊縫，采用對(duì)接焊結(jié)構(gòu)，前、后安裝邊與筒體采用搭接滾焊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

燃燒室外套前端內(nèi)徑φ=1355 mm，搭接段內(nèi)徑φ1=1360 mm，搭接段壁厚3 mm；外套筒壁厚為3 mm,搭接長度L1=16 mm焊縫寬度9 mm。

2.2 冶金分析

對(duì)5臺(tái)大修故障外套進(jìn)行了解剖和冶金檢查，包括使用壽命600 h的外套3件，300 h的2件。通過對(duì)焊縫處裂紋的宏觀檢查、裂紋斷口宏微觀觀察以及焊縫處的金相組織檢查，發(fā)現(xiàn)搭接滾焊縫內(nèi)壁表面焊道內(nèi)存在微裂紋，裂紋宏觀形貌如圖2所示。裂紋方向與焊縫走向垂直，裂紋短小呈斷續(xù)分布，形態(tài)似魚鱗。靠近表面處的裂紋斷口形貌為沿晶斷裂特征，未見夾雜等冶金缺陷。斷口中部為沿晶斷裂特征，存在大量的沿晶2次裂紋。在裂紋沿晶區(qū)與人工打開區(qū)的分界處存在約60 μm的疲勞區(qū)（如圖3所示），并存在大量的疲勞條帶（如圖4所示）。5件外套裂紋最大深度為0.23～0.60 mm。雖然內(nèi)壁有燃?xì)飧g坑，但斷口未見腐蝕性介質(zhì)，且裂紋位置與腐蝕坑不對(duì)應(yīng)，表明裂紋萌生與內(nèi)表面腐蝕坑無關(guān)。顯微組織均為奧氏體，屬1Cr18Ni9Ti正常組織。對(duì)裂紋斷口和表面進(jìn)行能譜分析,斷口處和表面成分未見明顯差異,內(nèi)表面和斷口面均有氧化現(xiàn)象,未見明顯腐蝕性元素存在。

由此得出冶金結(jié)論為：

（1）燃燒室外套焊縫處裂紋性質(zhì)為沿晶裂紋，裂紋總深度約為0.60 mm；

（2）該裂紋的形成與材質(zhì)、腐蝕和外物損傷無關(guān)，為焊接熱應(yīng)力裂紋；

（3）該裂紋的沿晶區(qū)末端存在疲勞擴(kuò)展區(qū)，深度為 60～137μm。

3 有焊接裂紋燃燒室外套的剩余壽命

帶有焊接裂紋燃燒室外套的剩余壽命能否滿足裝配的實(shí)際使用需求，將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)外場(chǎng)使用的安全性。為此，從有限元應(yīng)力計(jì)算、焊縫裂紋擴(kuò)展壽命分析、試片疲勞試驗(yàn)以及全壽命疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證方面進(jìn)行研究，來驗(yàn)證燃燒室外套工作的可靠性。

3.1 應(yīng)力計(jì)算

計(jì)算目標(biāo)：發(fā)動(dòng)機(jī)首翻工作600 h的裂紋擴(kuò)展量；裂紋擴(kuò)展穿透（3 mm）套筒壁之前的裂紋擴(kuò)展壽命，或裂紋擴(kuò)展至臨界裂紋尺寸時(shí)的裂紋擴(kuò)展壽命，取二者的較小值。

3.1.1 裂紋尺寸計(jì)算

在燃燒室外套筒前端內(nèi)表面位于滾焊縫處出現(xiàn)多條（扁）半橢圓表面裂紋，最深0.6 mm，表面長9 mm（約為焊縫寬度），方向?yàn)檩S向，裂紋間距約5 mm。

3.1.2 有限元建模計(jì)算

計(jì)算使用ANSYS有限元計(jì)算軟件，采用SOLID95單元，對(duì)整個(gè)外套劃分網(wǎng)格，建模中為簡化忽略了非關(guān)鍵部位的倒圓，其3°實(shí)體扇段模型如圖5所示。為模擬焊縫，圖5中2實(shí)體連接寬度為焊縫寬度9 mm，模型寬度方向約為35.5 mm。

3.1.3 主要載荷分析

燃燒室外套承受的主要載荷采用以前的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)：內(nèi)壓力Pin=0.066kg/mm2；外壓力Pout=0.01kg/mm2；扭矩：M=63661N·m；軸向力Fa=266.3kN,外套內(nèi)徑R′=677mm,壁厚t=3mm。

軸向力平均應(yīng)力

平均剪切應(yīng)力

外套內(nèi)壓差為P=0.056 kg/mm2，由此對(duì)外套筒壁產(chǎn)生的平均周向應(yīng)力

通過對(duì)外套筒壁裂紋受力分析可知，周向應(yīng)力為其主要應(yīng)力分量。在有限元計(jì)算時(shí)，由于采用扇段對(duì)稱模型，不便于施加剪切應(yīng)力，因此采用增大內(nèi)、外壁氣壓差P的方式，近似考慮剪切應(yīng)力在周向應(yīng)力疊加的效果。將剪切應(yīng)力轉(zhuǎn)換為主應(yīng)力方向，其第1主應(yīng)力σ1=τ，方向?yàn)?5°。取偏苛刻情況，將σ1=τ疊加到周向，計(jì)算時(shí)修正后的內(nèi)壁施加的壓力面載荷為

取上述內(nèi)壓差載荷為峰值載荷，載荷譜近似取脈動(dòng)三角波。

3.1.4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)扇段對(duì)稱條件，在圖5模型里、外2個(gè)對(duì)稱面上施加對(duì)稱位移邊界條件，左右兩端面除剛體位移約束外，未加其他約束，該模型模擬的是1周均勻分布有60個(gè)同尺寸裂紋的情況，比在左端面全約束，在右端面施加法向約束的結(jié)果偏于安全。燃燒室外套扇段有限元第1主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖6所示。在外套雙層壁滾焊處，其第1主應(yīng)力約為79 MPa，而在右側(cè)的單層壁處第1主應(yīng)力為98～158 MPa，其平均值與前面周向應(yīng)力分析結(jié)果（128 MPa）相當(dāng)，偏于安全。

3.2 燃燒室外套焊接裂紋擴(kuò)展壽命計(jì)算

假設(shè)在內(nèi)、外壁焊接的搭接處存在1條長9 mm、深0.6 mm的初始橢圓表面裂紋，橢圓中心距離左端面30 mm（在滾焊縫上），計(jì)算其裂紋擴(kuò)展壽命。

根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度因子普遍表達(dá)式

式中：對(duì)應(yīng)長而淺的表面裂紋，β為裂紋狀態(tài)修正系數(shù)，取值為1.1；a為裂紋深度；σ為裂紋所處均勻應(yīng)力場(chǎng)大小。根據(jù)有限元應(yīng)力分析結(jié)果，若認(rèn)為焊接處應(yīng)力場(chǎng)近似均勻，其大小為79 MPa，則可初步估算其應(yīng)力強(qiáng)度因子

在搭接處實(shí)際為非均勻應(yīng)力場(chǎng)，獲取更精確的應(yīng)力強(qiáng)度因子值需要有限元計(jì)算。裂紋前緣等效應(yīng)力云圖如圖7所示。

最大應(yīng)力強(qiáng)度因子隨裂紋擴(kuò)展深度變化如圖8所示。從圖中可見，隨著裂紋的擴(kuò)展，裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子不斷增大，但裂紋擴(kuò)展長度小于2 mm前，裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子均小于7。根據(jù)1Cr18Ni9Ti在常溫下的Paris裂紋擴(kuò)展公式（其擴(kuò)展速率如圖9所示）

可計(jì)算其裂紋擴(kuò)展壽命隨裂紋擴(kuò)展深度曲線，其結(jié)果如圖10所示。需要說明，由于圖9中應(yīng)力強(qiáng)度因子均大于10，因此在計(jì)算裂紋擴(kuò)展壽命時(shí)采用了外插。

由此得出結(jié)論：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)工作600 h時(shí)，燃燒室外套筒內(nèi)壁裂紋擴(kuò)展量為0.00022 mm；

（2）裂紋從0.6 mm擴(kuò)展至2.6 mm時(shí)，燃燒室外套筒內(nèi)壁裂紋擴(kuò)展壽命為2.51×106循環(huán)，此時(shí)的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子為6.8 MPa·,該材料的條件斷裂韌性KQ≥40 MPa·，如圖9所示。因此，該裂紋仍具有較大的穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展壽命。

3.3 試片疲勞試驗(yàn)

試片疲勞試驗(yàn)在MTS 810電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試樣取自故障外套，其中5件試樣的滾焊縫有裂紋，另外5件試樣的滾焊縫沒有裂紋。試樣形狀如圖11所示。

試驗(yàn)參數(shù)：

試驗(yàn)溫度為室溫；σmax＝400、300、200 MPa；應(yīng)力比R=0.1。

循環(huán)頻率f=15；循環(huán)波形為正弦波；加載方式為軸向拉伸。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 某燃燒室外套滾焊縫試樣疲勞試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)論為：

（1）所有試樣疲勞斷裂位置均相同，處于焊接熱影響區(qū)；

（2）滾焊縫有無裂紋試樣的疲勞壽命無明顯差異。

3.4 全壽命疲勞試驗(yàn)

選取新生產(chǎn)燃燒室外套，在試驗(yàn)器上進(jìn)行了2000 h的全壽命疲勞試驗(yàn)（全壽命為1600 h），未發(fā)現(xiàn)異常，故認(rèn)為其符合發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命的循環(huán)次數(shù)(11300次)的循環(huán)疲勞試驗(yàn)的考核要求。對(duì)該外套兩端搭接滾焊縫進(jìn)行了熒光檢查發(fā)現(xiàn)，在焊縫內(nèi)表面有2處裂紋。復(fù)膜檢查發(fā)現(xiàn)裂紋為沿晶擴(kuò)展，其性質(zhì)與解剖的5件故障外套的相同。解剖該外套2處裂紋部位并進(jìn)行了冶金斷口分析可知，原始裂紋為沿晶特征，沿晶區(qū)末端存在疲勞擴(kuò)展現(xiàn)象，擴(kuò)展區(qū)深度約為80 μm。該外套經(jīng)過2000 h的疲勞試驗(yàn)后，沒有失效。

4 結(jié)論

通過上述分析，得出的結(jié)論為：深度為0.6 mm的焊縫裂紋擴(kuò)展至2.6 mm時(shí)（外套筒壁厚3.0 mm），燃燒室外套筒內(nèi)壁裂紋擴(kuò)展壽命為2.51×106循環(huán)，遠(yuǎn)高于發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命1600 h的11300次循環(huán)疲勞試驗(yàn)的考核要求，此時(shí)裂紋仍具有較大的穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展壽命。在充分考慮安全儲(chǔ)備的條件下，搭接滾焊縫帶裂紋的燃燒室外套，可以在全壽命周期安全使用。

本文提出的壽命研究方案，可以推廣應(yīng)用于其它航空發(fā)動(dòng)機(jī)同類故障研究分析。

[1]姚衛(wèi)星.結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.

[2]呂文林.航空發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度計(jì)算[M].北京：國防工業(yè)出版社,1988.

[3]楊慶雄.局部應(yīng)力應(yīng)變法壽命計(jì)算中材料疲勞特性選用的評(píng)論[C].山東：第五屆全國疲勞學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，1991:230-235.