不銹鋼導管高頻感應釬焊釬角裂紋故障分析

劉 峰 駱政波 歐陽康

（國營蕪湖機械廠，蕪湖 241007）

高頻感應釬焊通過高頻感應電流產(chǎn)生的渦流效應和集膚效應進行焊接，是飛機制造領域中采用的一種比較先進的導管連接制造技術。釬焊過程大部分采用銀基釬料、鈦基釬料、銅基釬料以及鎳基釬料進行焊接。與其他焊接方法相比，高頻感應釬焊具有釬焊接頭變形小、焊后的接頭“免維護”的優(yōu)點，所以廣泛用于不銹鋼、高溫合金等具有對稱形狀的焊件，適用于管件套接、管和法蘭、軸和軸套3類接頭[1-5]。

某型飛機在日常維護使用中發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)不銹鋼導管高頻感應釬焊焊釬角位置出現(xiàn)裂紋。液壓系統(tǒng)是飛機最重要的機械系統(tǒng)之一，負責收放起落架、向舵面?zhèn)鲃硬糠止旱戎匾蝿铡Ｒ簤簩Ч茉谙到y(tǒng)中主要用來把各種元件及裝置連接起來傳輸能量，是液壓系統(tǒng)的重要組成部分。液壓系統(tǒng)導管在飛行中出現(xiàn)裂紋或斷裂，將導致液壓系統(tǒng)空中漏油，危及飛行安全[6-7]。 對液壓系統(tǒng)不銹鋼高頻釬焊導管釬焊釬角裂紋進行斷口形貌分析，開展導管受外力作用試驗，驗證不同方向、大小的外力作用下導管管體及釬角的外觀情況，按設置振動功能試驗載荷譜對試驗件進行模擬振動試驗，綜合分析導管裂紋故障的重要影響因素，進而制定改進措施。

1 裂紋故障

不銹鋼導管斷裂部位位于接頭與導管釬縫的釬角處，距接頭端部2～3 mm，呈周向斷裂。斷裂部位附近未見明顯塑性變形、腐蝕或其他機械損傷痕跡，斷裂位置見圖1。

圖1 導管斷裂位置示意圖

2 斷口分析

在視頻顯微鏡下觀察斷口宏觀形貌，斷口整體基本與導管軸向垂直，斷面灰亮，有金屬光澤。斷口上可見兩個明顯的疲勞區(qū)，分別標記為1#疲勞區(qū)和2#疲勞區(qū)。其中，1#疲勞區(qū)約占整個斷口面積的85%，疲勞線性多源起始于導管釬焊區(qū)表面，可見多個明顯的疲勞臺階沿導管徑向和周向方向擴展。疲勞擴展初期，斷口斷面細密、平坦，擴展后期斷面略微粗糙，且可見明顯疲勞弧線特征。2#疲勞區(qū)約占整個斷口面積的10%，整個疲勞區(qū)可見明顯放射棱線和疲勞弧線特征，其中放射棱線收斂于導管釬焊區(qū)表面。從兩個疲勞區(qū)所占斷口面積和形貌特征判斷，1#疲勞區(qū)為主裂紋，2#疲勞區(qū)為次裂紋。1#疲勞區(qū)和2#疲勞區(qū)之間有兩小段斜斷口，為最終的瞬斷區(qū)，約占斷口面積的5%，見圖2。觀察疲勞區(qū)對應側表面宏觀形貌，2#疲勞區(qū)裂紋除了暴露在斷口的一部分，在自身所處平面上沿兩側周向方向還分別擴展了1.5 mm（右）和1.2 mm（左）。

圖2 導管斷口宏觀形貌

導管材質(zhì)（組織、硬度）檢測結果符合要求。疲勞線性多源起始于導管釬焊區(qū)表面，沿徑向和周向方向擴展，釬焊區(qū)斷面可見大量顯微疏松聚集，顯微疏松從釬焊表面一直延伸到導管基體表面。檢查源區(qū)側面的導管焊縫表面可見存在顯微疏松和表面空洞，在2#疲勞源區(qū)側表面還可見數(shù)條周向微裂紋。檢查導管釬縫釬角質(zhì)量，釬角剖面同樣可見聚集的顯微疏松。此外，在靠近2#疲勞區(qū)側的釬縫釬角剖面，可見沿顯微疏松擴展而成的微裂紋。

3 試驗驗證

3.1 外力作用驗證

根據(jù)導管機上的布局和安裝尺寸，搭建導管試驗臺，開展導管受外力作用試驗，驗證不同方向、大小的外力作用下導管管體及釬角的外觀情況。

按飛機機體坐標系X、Y方向用彈簧秤，對導管施加400 N拉力，導管折彎約20°，力的作用點為導管第一個彎曲部位。經(jīng)試驗驗證，導管受到外力作用后，導管目視可見塑性變形，釬角處可見釬料表面開裂特征。導管受力后管體、釬角位置狀況，如圖3所示。

圖3 導管受外力后狀態(tài)

3.2 振動試驗情況

按設置的振動功能試驗載荷譜，對試驗件沿X、Y、Z軸向進行振動試驗。振動試驗過程中，導管保持28 MPa 的液壓壓強，試驗中導管安裝狀態(tài)見圖4，試驗安裝條件見表1。

圖4 振動試驗現(xiàn)場

開展2組導管試驗，每組3件導管，主要區(qū)別是第二組編號為1#導管、2#導管。釬角著色探傷后，對有組織疏松的位置進行打磨消除。3#導管、4#導管、5#導管和6#導管釬焊后未做消除組織疏松處理。試驗過程中，6件導管均出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，導管受拉力后在53～199 min出現(xiàn)滲漏，導管未受拉力也在 240 min內(nèi)出現(xiàn)滲漏。試驗情況記錄見表1。

表1 導管振動試驗記錄表

查看導管斷裂后的斷裂位置情況，在未受外力情況下，振斷的導管試驗件斷裂位置位于焊接的釬角尾部，而受力狀態(tài)下振斷的導管試驗件斷裂位置多位于焊接的釬角中部區(qū)域，如圖5所示。結合焊接釬角位置的特性分析，在受外力的情況下，外力更易集中在釬角中部區(qū)域，并在該區(qū)域的疏松位置形成表面開口裂紋。非受力狀態(tài)下，導管試驗件焊接釬角尾部，尤其釬角與導管結合處區(qū)域，因釬料厚度較薄且通常存在聚集狀疏松，振動過程中更易形成疏松通道導致導管 開裂。

圖5 釬角裂紋位置示意圖

從斷口微觀形貌來看，所有導管均呈現(xiàn)疲勞斷裂特征，線性多源起始于焊接疏松區(qū)域，源區(qū)沿導管徑向和周向方向擴展，可見棱線特征。疲勞擴展初期，斷口斷面細密、平坦。擴展后期斷面略微粗糙，可見明顯疲勞弧線特征。

4 結語

上述特征表明，焊縫沿著聚集的顯微疏松開裂。當導管釬焊區(qū)存在大量聚集的顯微疏松，會降低該區(qū)域的承載強度。使用中逐漸開裂并擴展至導管基體，相當于形成了一條從焊縫表面至導管基體表面的初始裂紋，增加局部的應力集中系數(shù)，使得在振動載荷作用下出現(xiàn)疲勞裂紋。

綜上所述，導管斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，疲勞起源于導管釬焊區(qū)表面，疲勞失效原因主要是釬焊區(qū)存在明顯聚集的顯微疏松，會降低釬角強度并形成初始裂紋，進而增加局部的應力集中系數(shù)，在振動載荷作用下誘發(fā)疲勞裂紋。

從試驗情況來看，釬焊導管外部受力或彎折過程會加速導管斷裂，但受較大外力后振動斷裂的導管斷口宏觀狀態(tài)及斷裂位置與非受力導管試驗斷裂狀態(tài)存在差異。對導管釬焊疏松組織進行打磨消除后，能夠提高導管抗疲勞性能。因此，在導管修理、制造及安裝過程中應避免導管釬焊部位承受彎折。研究高頻釬焊的工藝參數(shù)或?qū)附雍蟮拟F角尾部進行局部打磨，可減少釬角部位的疏松組織。