飛機主減撐桿焊接失效分析

宋奇慧

（黑龍江農業工程職業學院機械工程學院，黑龍江哈爾濱150088）

飛機主減撐桿焊接失效分析

宋奇慧

（黑龍江農業工程職業學院機械工程學院，黑龍江哈爾濱150088）

主減撐桿是飛機上的重要零件，目前主要采用15CrMnMoV鋼制造。焊接時采用國內研制的H15CrMnMoV焊絲，采用鎢極氬弧焊進行焊接，但部分零件在焊后產生裂紋，不能滿足生產的實際要求。分析產品的裂紋，原因是氬氣超標產生氫致裂紋。對15CrMnMoV鋼的焊接裂紋進行失效分析，分析表明氬氣水分超標是產生裂紋的關鍵因素。

可焊性；裂紋；失效分析

0 前言

某型直升機的主減撐桿、水平骨架、支撐座、后艙門拋放軸、起落架滑橇等均采用15CrMnMoV鋼制造。采用國內研制的H15CrMnMoV焊絲和鎢極氬弧焊進行焊接，焊前15CrMnMoV鋼多為調質狀態，進行1～2 mm厚的結構件焊接。其中主減撐桿在某次小批量焊接時，焊后發現多根產生裂紋[1]，主減撐桿是直升機上的關鍵部件，共4根成一定角度對稱固定在主減速器和中央槳轂之間，用于連接機身和發動機主減速器，承受很大的靜載荷和疲勞載荷[2]，如果有一根出現問題就會造成機毀人亡的事故。為此曾先后加工共兩批主減撐桿，多根發現在焊縫熱影響區處有微裂紋。為保證生產進度，必須進行裂紋分析和試驗，找出裂紋原因，解決這一問題。

1 試樣制備和試驗方法

零件的生產工藝為：叉耳接頭機加成型→磁力探傷→叉耳接頭熱處理→磁力探傷→叉耳接頭與桿體焊接→磁力探傷→X光→組件機加鏜孔→磁力探傷→組件表面鍍鎘→磁力探傷。主減撐桿由調質狀態的桿體（直徑φ40 mm、壁厚1 mm的法國產15CDV6鋼管）和熱處理調質后的叉耳接頭（由15CrMnMoVA鋼棒機加而成）組焊而成，見圖1。

圖1 主減撐桿Fig.1Welding of stay bar

2 試驗結果和分析

觀察帶裂紋的焊件表面，發現表面有暗灰色的氧化皮，焊縫成形較好，焊道魚鱗紋均勻，裂紋均發生在叉耳的焊縫熱影響區一側，距焊縫熔合線0.5～

1.5mm，裂紋呈微小、斷續的特征。為進一步驗證裂紋性質、查明裂紋原因，又加工了19件進行試驗。選用熱處理硬度HBS40～HBS350的叉耳，各工序按人、機、料、法、環的要求嚴格控制，操作人員是具有三級航焊證的經驗豐富的焊工，焊機是規定的美國米勒公司TR-250HF焊機，焊接工作間溫度23℃，濕度39％，符合工作間溫度不低于16℃，濕度小于90％的標準要求；焊前零件與焊絲進行水力吹砂并烘干，檢查零件和焊絲表面無水跡、鐵銹、油污等雜質；鉗工仔細研合接頭，并用清潔的布仔細擦拭零件內壁，焊工焊前用砂紙對焊絲H15CrMnMoVA進行打磨。在夾具上進行桿體和叉耳接頭的組件焊接，先進行定位焊，對稱焊接四點，然后校形，校形后再在夾具上焊接，焊接時采用對稱焊，轉動管體焊接四分之一部分，再焊接反面的四分之一部分以減小焊接應力。焊接規范參數如表1所示。

表1 主減撐桿焊接工藝參數Tab.1Parameter of welding for stay bar

2.1 初步分析和試驗

焊接時發現焊縫正面、背面的氬氣保護流量必須大于規定值，否則保護不了熔池，零件表面會產生很強的氧化；焊接后磁力探傷又發現4件有裂紋。

2.2 外觀檢查

觀察帶裂紋試件的焊縫外表面，焊道成形較好，裂紋距熔合線約1 mm。截取有裂紋部位在掃描電鏡下觀察，裂紋的低倍形貌和高倍形貌如圖2和圖3所示。其擴展路徑曲折而裂紋最寬處約5.5μm。

圖2 叉耳裂紋掃描電鏡低倍形貌Fig.2Low amplificatory figure of crack by scanner

圖3 叉耳裂紋掃描電鏡高倍形貌Fig.3High amplificatory figure of crack by scanner

觀察垂直焊道和裂紋磨制金相試樣，在表面和亞表面均有裂紋，深度約40 μm。

2.3 掃描電鏡觀察

打開零件焊道附近最長的微裂紋，將斷口放入電鏡內觀察，斷口低倍形貌如圖4所示，斷口基本上分為兩個區域。

圖4 斷口低倍形貌Fig.4Low magnification of the figure surface

Ⅰ區位于零件的外表面，為微裂紋部位，寬度約100 μm，斷口顏色發暗。Ⅱ區為人工打開斷口，顏色發亮。Ⅰ區放大后形貌如圖5所示，可見該處為典型的沿晶斷裂特征，晶面干凈，未見腐蝕產物。

圖5 斷口上Ⅰ區的高倍形貌Fig.5High magnification of fracture of area

Ⅱ區放大后形貌如圖6所示，該處為典型的韌窩斷裂特征。

圖6 斷口上的韌窩形貌Fig.6Morphology of dimple of fracture surface

2.4 化學成分分析

原材料、焊絲化學成分分析結果如表2所示[3]。

表2 原材料及焊絲的化學成分Tab.2Chemic component of materials and rods ％

2.5 金相組織觀察

母材經過焊接加熱后，促使金屬材料內部發生某種組織轉變，顯著影響母材的機械性能。

觀察母材基體金相組織試樣，為板條馬氏體＋貝氏體組織（見圖7），未見異常組織，夾雜物檢查符合標準要求。

圖7 母材金相組織Fig.7Metallographic structure of material

2.6 斷口能譜分析

對原材料及焊絲進行能譜成分分析，結果見表3。分析部位形貌如圖8所示，有的晶界存在一定的銅元素偏聚。

表3 能譜分析結果Tab.3Result of analysis for energy spectrum

2.7 氫含量測定

對叉耳和焊道及焊道兩側的熱影響區取樣進行氫含量測定，結果見表4，叉耳共取樣4個，焊道及其兩側的熱影響區共取樣7個。

3 結論

掃描電鏡的觀察結果表明，裂紋為表面或亞表面裂紋，長度為幾百微米不等，并擴展曲折時斷時續，產生時間為焊后不立即出現，而是有一定的時間間隔，具有延遲特征，因此從裂紋產生的部位、時間和裂紋形態分析，該裂紋可以初步判定為冷裂紋

中的延遲裂紋[4]。母材及焊絲的化學分析結果表明原材料合格，排除了因原材料不合格而引起裂紋的因素。從焊縫的外觀形態分析，焊縫波紋呈魚鱗狀，焊縫寬窄均勻，高度適中，無焊瘤、咬邊等缺陷，可見焊工操作手法很好。氫含量的測定結果表明，焊道及熱影響區的氫含量遠高于母材，氫含量對強度級別不同的鋼的影響結果不同，對抗拉強度達到1 800 MPa以上的鋼，焊縫中（2～3）×10-6的氫就可以導致氫致裂紋，對抗拉強度1 080～1 280 MPa的 15CrMnMoV鋼來說，（12～18）×10-6的氫含量足以導致裂紋產生，所以該裂紋是氫致裂紋。在焊接條件下，焊接材料中的水分，焊件坡口附近的油污、鐵銹，保護氣體中的水分，以及空氣中的濕氣都是焊縫金屬中富氫的主要來源，在焊接過程中由于電弧的高溫作用，氫分解成原子或離子（即質子）狀態，并大量溶解于焊接熔池中。在隨后冷卻和凝固的過程中，由于溶解度的急劇下降，氫極力向外逸出，在冷卻較快的焊接條件下，氫來不及逸出而殘存在焊縫金屬內部，使焊縫中的氫處于飽和狀態，為氫致裂紋的產生提供了條件。

圖8 斷口Ⅰ區能譜分析部位形貌Fig.8Figure of energy spectrum for areaⅠ

表4 含氫量的測定（×10-6）Tab.4Determine of content for hydrogen

根據以上分析，結合試驗中出現的氬氣流量異常的情況，最后認定焊接用保護氣體可能不純，檢測結果表明：氬氣純度未達到標準要求，其中水份嚴重超標，超37.7倍。顯然超標的水份是導致焊縫產生氫致裂紋的關鍵因素。

焊接時氬弧焊的電弧弧柱會產生5 000℃的高溫，氬氣中的水份通過時產生分解，分解的氫溶解于高溫的熔池中，由于焊縫金屬的含碳量較低，焊縫在較高溫度發生了相變，氫的溶解度突然降低，氫迅速從焊縫穿過熔合區向尚未發生奧氏體分解的熱影響區擴散，而氫在奧氏體的擴散速度較小，來不及擴散到距離熔合區較遠的母材，因此在熔合區附近形成了富氫地帶。同時叉耳的熱處理強度規定為1 080～1 280 MPa，桿體的熱處理強度為980 MPa，叉耳的淬硬組織更多，淬硬組織硬而脆，其塑性和韌性差，松弛應力的能力差，加之馬氏體組織的體積最大，氫成為馬氏體組織間隙原子的幾率最高，所以叉耳側的熱影響區氫含量最高，在應力、淬硬組織的共同作用下，在叉耳側產生了氫致裂紋。

生產中又進行了換氬氣焊接試驗，氬氣選用另一廠家的檢驗合格的氬氣，仍按照原工藝流程和工藝參數進行加工，試樣焊接后進行磁力探傷檢驗和X光檢查，結果全部合格，證明了分析的正確性。

[1]中國航空材料手冊編輯委員會.中國航空材料手冊第一分冊[M].北京：中國標準出版社，2002：75-76.

[2]李成功，傅恒志，于翹.航空航天材料[M].北京：國防工業出版社，2002：1-41.

[3]隆文慶.提高15CDV6低合金鋼工藝性能的探討[J].四川冶金，2001（03）：112-113.

[4]王國凡.材料成形與失效[M].北京：化學工業出版社，2002：18-20.

Failure analysis on welding crack of main reducing rod of aircraft

SONG Qihui
（Heilongjiang Agricultural Engineering Vocational College，Harbin 150088，China）

The main reducing rod is an important part of the aircraft,mainly produced by 15CrMnMoV steel.Welding is used in the domestic development of H15CrMnMoV welding wire，the use of tungsten argon arc welding，but some parts in the welding crack，can not meet the actual requirements of production.Analysis of cracking products，the reason is the hydrogen induced cracking of argon.Failure analysis ofweldingcrack of15CrMnMoVsteel，the analysis shows that the keyfactor ofthe crack is the excess ofargon gas.

weldability；crack；failure analysis

TG457.2

A

1001－2303（2016）09－0088-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.20

2015-06-09；

2016-08-28

國家自然科學基金資助項目（59493300）；教育部博士點基金資助項目(9800462)

宋奇慧（1975—），女，黑龍江人，副教授，碩士，主要從事材料成型的研究工作。