高溫合金焊接接頭疲勞損傷演化試驗

公維勇 黃青松

（中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

0 引言

GH4169作為一種以體心四方的Ni3Nb和面心立方的Ni3（Al，Ti，Nb）相沉淀強化的鎳基高溫合金，在較高溫度下具有屈服強度高、塑性好的特點，同時在常溫下其焊接性也非常好，其廣泛應用在航空發(fā)動機熱端部件中。GH4169合金用于機匣類結(jié)構(gòu)時，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求，一般其安裝邊和安裝座與筒體之間采用焊接結(jié)構(gòu)，焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于構(gòu)造合理、制造工藝性較好和結(jié)構(gòu)重量較輕等。電子束焊由于具有能量密度高、焊接變形小以及接頭質(zhì)量好等優(yōu)點，被廣泛應用在航空發(fā)動機關(guān)鍵部件的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計中，同時，電子束焊接過程對結(jié)構(gòu)疲勞性能的影響也不能忽視。損傷是指由于零件存在微觀缺陷，在外載荷和環(huán)境的作用下最終導致零件斷裂或失效的過程。根據(jù)科學實驗分析，由于實際零件材料內(nèi)部中存在著一些微觀缺陷（如疏松、夾雜、氣孔等），而且材料在加工時也難免產(chǎn)生各種表面加工缺陷（如刀痕、毛刺、劃傷等），在各種內(nèi)部和外部缺陷的影響下，勢必會導致零件工作過程中的疲勞損傷。該文將通過試驗對GH4169焊接接頭的疲勞性能進行研究，論文著重研究了焊接接頭的疲勞損傷演化過程，分析了損傷演變與接頭壽命的關(guān)系。

2 GH4169電子束焊接接頭的疲勞試驗

2.1 試樣制備

試驗采用GH4169高溫合金板材，焊接要嚴格按照標準進行；焊后經(jīng)X光檢測；熱處理消除殘余應力；試件加工按照國標GB3075—82進行，試件表面不得有劃傷、擦傷，不得沿橫向加工。

2.2 試驗過程

疲勞試驗采用應力控制，試驗在MTS公司809液壓伺服材料疲勞試驗機上完成，用夾式引伸計來測量應變，引伸計標距：25 mm，記錄應變幅變化作為宏觀損傷量計算依據(jù)。試驗載荷為正弦波，應力比為0.1。由于試驗為應力控制疲勞試驗，考慮到試驗成本的因素，可以在不導致試樣溫度上升的前提下選取較高的試驗頻率，該文中試驗的頻率為5 Hz～10 Hz。參考材料數(shù)據(jù)手冊和以往氬弧焊GH4169焊接接頭疲勞試驗數(shù)據(jù)，該文進行4個載荷等級的疲勞試驗，每個載荷等級不少于3件有效試樣。

2.3 試驗結(jié)果分析

該文分別進行了930 MPa、868 MPa、806 MPa、750 MPa載荷的疲勞試驗，在給定的試驗載荷范圍內(nèi)，GH4169電子束焊接接頭的疲勞壽命在104～105次，在此范圍內(nèi)的疲勞壽命和應力在對數(shù)坐標系下存在線性關(guān)系，采用最小二乘法對數(shù)據(jù)進行擬合處理，得到GH4169焊接接頭的應力—壽命的關(guān)系為

3 GH4169焊接接頭損傷演化趨勢

3.1 宏觀損傷量的測量

疲勞過程中，焊接接頭宏觀損傷D用應變幅的變化來計算：

式中：Δε*為循環(huán)達到穩(wěn)定時應變幅；Δε為宏觀應變幅。

循環(huán)達到穩(wěn)定時的過程可能有幾十個或幾百個循環(huán)，測出穩(wěn)定后應變的峰值和谷值，得到初始穩(wěn)定Δε*。然后每隔一定的循環(huán)，記錄下應變的峰值和谷值，得到對應循環(huán)數(shù)下的Δε，從而計算得到宏觀損傷量D。

根據(jù)上述方法計算循環(huán)壽命比N/Nf與損傷D的數(shù)值，得到同一載荷下試件的宏觀損傷變量D的變化歷程，圖1為σ=806 Pa的損傷量的變化情況。

從圖1損傷的演化趨勢可以看出，GH4169焊接接頭的疲勞過程可大體分為兩個階段：1）損傷緩慢發(fā)展階段：在該階段中焊接接頭疲勞損傷發(fā)展較為緩慢，卻大約占據(jù)了整個焊接接頭疲勞壽命的90 %；2）損傷急劇增大階段：當損傷達到一定循環(huán)后，疲勞損傷發(fā)展速度急劇增加，在焊接接頭損傷達到一定臨界值時，試件突然斷裂，此階段大約占據(jù)整個焊接接頭疲勞壽命的10 %。所以，零件使用過程中要對焊接接頭失效前的疲勞損傷發(fā)展過程給予足夠重視。

3.2 不同載荷下GH4169焊接接頭損傷演化方程

GH4169焊接接頭也可采用如下疲勞損傷演化方程：

式中：D0為初始損傷，α1、β1為材料損傷參數(shù)，Dc為臨界損傷（通過試驗測定）。其中D0、α1、β1為待擬合參數(shù)，D為因變量，N/Nf為自變量。

圖1 σ=806Pa的損傷演化趨勢

以同一載荷水平下的1個試樣為例，可擬合得到不同載荷損傷演化曲線，對不同載荷下的損傷演化曲線進行分析得出，當載荷較低時，損傷演變過程比較平緩，隨著載荷的不斷增大，損傷演變過程變得較為急劇。

4 結(jié)論

該文通過GH4169高溫合金電子束焊接接頭的疲勞試驗，得到了GH4169電子束焊縫的S—N曲線和疲勞損傷演化曲線。

根據(jù)宏觀損傷疲勞試驗得到了GH4169電子束焊焊接接頭在不同載荷下的宏觀損傷演化過程，進而可確定不同載荷下的焊接接頭的疲勞損傷演化方程。

焊接接頭的損傷演化過程分析是建立在損傷力學的壽命評估方法的基礎(chǔ)上，對于實際結(jié)構(gòu)，將GH4169電子束焊焊接接頭的損傷演化過程分析與有限元分析結(jié)合起來，可實現(xiàn)焊接零件的壽命預測，為工程應用提供一定幫助。