發動機總管支架銷軸脫落原因分析

楊 健, 張 爽, 劉 磊, 鄭 媛

(西安航空發動機(集團)有限公司, 西安 710021)

質量控制與失效分析

發動機總管支架銷軸脫落原因分析

楊 健, 張 爽, 劉 磊, 鄭 媛

(西安航空發動機(集團)有限公司, 西安 710021)

某發動機總管支架銷軸在使用過程中出現脫落和裂紋。通過斷口的宏微觀分析、金相檢驗與結構分析等，對銷軸脫落和產生裂紋的原因進行了分析。結果表明：在發動機工作振動應力的作用下，銷軸與支架連接的焊點產生疲勞裂紋，進而引起總管支架銷軸脫落，脫落原因為支架組件的設計結構和連接工藝不合理、焊接強度低。

支架；銷軸；焊點；脫落；疲勞裂紋

發動機是航空器的心臟，其性能是保障航空器利用率和飛行安全的重要因素[1]。焊接結構作為一種連接各個部件有效又經濟的方式，廣泛應用于國內外航空航天、鐵道車輛、造船業、國防等領域。焊接技術是航空發動機制造中的關鍵技術之一，焊接結構件在噴氣發動機零部件總數所占比例已經超過50%，而焊接結構所發生的斷裂事故中，70%～90%是由疲勞失效引起的[2-5]。

某發動機經過一段時間運行后，在例行檢查時發現在發動機噴口隔屏存在一長約50 mm的銷子，經查該銷子為發動機總管支架上的銷軸。支架結構見圖1，銷軸采用焊接方式與支架連接，焊接方式為氬弧焊，焊后進行了消除應力熱處理，銷軸材料為GH605鈷基高溫合金，支架材料為GH625鎳基高溫合金。該銷軸脫落故障在外場已發生了4起，對使用數百小時的15臺返廠發動機總管支架均進行了檢查，發現有8臺發動機總管支架在焊接處存在不同程度的開裂。為了準確查找銷軸脫落的原因，減少或避免同類故障的再次發生，筆者對故障件進行了檢驗和分析。

圖1 總管支架實物外觀Fig.1 Appearance of the manifold bracket

1 理化檢驗

1.1 脫落件斷口分析

脫落件銷軸和支架上共有4個斷口，斷口均位于焊核上管體內側的焊點部位，具體位置見圖2。斷口均比較平齊，未見明顯塑性變形，斷口顏色為灰黑色，斷面上可觀察到光亮的摩擦痕跡，斷口宏觀形貌見圖3和圖4。

圖2 支架與銷軸的焊點形貌Fig.2 Morphology of welding spots of the bracket and the pin roll:a) welding spot positions of the bracket; b) welding spot positions of the pin roll

圖3 支架上的斷口形貌Fig.3 Morphology of the fracture of the bracket:a) fracture 1 and fracture 2; b) fracture 3 and fracture 4

圖4 銷軸上的斷口形貌Fig.4 Morphology of the fracture of the pin roll:a) fracture 1; b) fracture 2; c) fracture 3; d) fracture 4

在掃描電鏡下進行觀察，發現斷面氧化、磨損嚴重。從斷口3上可觀察到疲勞弧線，從疲勞弧線的擴展方向推斷，裂紋源區應位于焊核側壁轉接半徑附近，該處較平坦[6]。裂紋由焊核外向內擴展，裂紋源區未見材料及冶金缺陷，也未見焊接缺陷，見圖5。疲勞擴展較充分，擴展區可觀察到疲勞條帶[7]，見圖6。

斷口3面積較大，磨損、氧化情況略輕。斷口1，2，4幾乎完全被氧化物覆蓋或被磨平，斷口特征難以分辨。從斷口的宏觀形貌判斷，斷口1，2，4與斷口3性質相同。從斷口損傷情況判斷， 斷口3損傷較輕，斷口1，2，4余斷口損傷較重。因此斷口3可能為最后斷裂斷口，其余斷口開裂較早。結合斷口形貌判斷其起源位置應位于銷軸與支架結合線處。

圖5 斷口3裂紋源區形貌Fig.5 Morphology of the crack source area of fracture 3

圖6 斷口3擴展區形貌Fig.6 Morphology of the propagation area of fracture 3

1.2 支架裂紋分析

取兩件有裂紋的支架進行觀察分析，兩支架均在相同位置有裂紋，裂紋形貌相似，分別對其進行斷口分析和金相檢驗。

1.2.1 斷口分析

將支架沿裂紋打開，發現斷口顏色為灰黑色，斷口齊平，未見明顯塑性變形。斷面上氧化、腐蝕、磨損現象較嚴重。由擴展棱線方向判斷，裂紋源區位于銷軸與支架結合線處，由內側向外擴展，裂紋源區未見材料及冶金缺陷，也未見焊接缺陷，擴展區可觀察到疲勞條帶，未見明顯瞬斷區，形貌見圖7。

圖7 有裂紋支架的斷口形貌Fig.7 Fracture morphology of the bracket with cracks:a) full view of the fracture; b) the crack source area; c) the propagation area

1.2.2 金相檢驗

垂直于焊點切取金相試樣，對焊點進行金相檢驗。裂紋由支架和銷軸的結合縫處起源，向焊縫外側擴展，銷軸徑向最大熔化深度約為0.38 mm，有效焊接厚度約為0.73～1.17 mm，見圖8。

由焊點解剖分析可知，銷軸和支架焊縫結合線處存在尖銳夾角，該夾角的存在使該處具有較高應力集中效應，成為薄弱區，易于從此處產生裂紋。

圖8 軸銷焊點的微觀形貌Fig.8 Micro morphology of the welding spot of the pin roll:a) morphology 1; b) morphology 2

1.3 支架受力與結構分析

支架除了受到裝配和連接總管的彎扭應力外，主要承受發動機工作時的振動應力，銷軸與支架采用點焊方式連接，易產生應力集中。從多起銷軸脫落和焊接區出現的裂紋特征來看，焊接點是支架中承力最薄弱的區域。

2 分析與討論

銷軸與支架連接的焊點在發動機工作的振動應力作用下產生疲勞裂紋，進而斷裂引起銷軸脫落。該支架作為發動機總管的支架，在飛機飛行時承受振動應力，除飛機起飛和降落時，飛機正常飛行時振動應力很小。但出現了多起銷軸脫落和連接焊點疲勞裂紋，其原因應有支架的結構形式、焊接的連接方式、焊接強度等因素。

在支架組件中，銷軸起到固定桿的作用，與支架采用開口管狀連接和點焊接方式，其支架與銷軸間的間隙很難保證，銷軸和支架焊縫結合線處存在尖銳夾角，在工藝上也難以徹底消除。因此，改進支架整體結構和連接方式，消除振動的局部集中點，是解決該故障的根本措施。

故障件中焊接的熔化深度和有效焊接厚度都很小，這也是造成零件強度低，產生疲勞開裂的主要原因之一[8]。對該故障件進行了焊接工藝改進研究，改進了焊接工藝參數和方法，使焊接的熔化深度、有效焊接厚度有了很大提高，改進后樣件焊點的微觀形貌見圖9。

通過以上分析，可以得出該型發動機發生多起銷軸脫落和銷軸與支架開裂的主要原因是支架組件的設計結構、連接工藝不合理和焊接強度低。

3 結論

(1) 該銷軸脫落是由于銷軸與支架連接點焊縫在發動機工作時產生疲勞開裂所引起的。

(2) 銷軸脫落和銷軸與支架產生裂紋的主要原因是支架組件的設計結構、連接工藝不合理和焊接強度低。

[1] 江龍平,徐可君,隋育松.航空發動機故障診斷技術[J].航空科學技術,2002(2):38-40.

[2] 趙子豪,劉德剛.焊接結構疲勞失效的產生原因與預防措施[J].現代機械,2012(1):64-67.

[3] 曲伸,宋文清,黃青松,等.先進航空焊接技術[J].航空制造技術,2013,431(11):32-35.

[4] 張磊先,杜靜,李文學.先進焊接技術在國內航空制造領域內的應用和發展概況[J].新技術新工藝,2012(10):61-64.

[5] 苗蓉,林京娜.DN50不銹鋼波紋管開裂失效分析[J].理化檢驗-物理分冊,2015,51(2):135-138.

[6] 張棟,鐘培道,陶春虎,等.失效分析[M].北京:國防工業出版社,2008:113-114.

[7] 李毅,朱鵬霄,陳波.油缸活塞桿斷裂失效分析[J].理化檢驗-物理分冊,2015,51(11):824-826.

[8] 陶春虎,劉高遠,恩云飛,等.軍工產品失效分析技術手冊[M].北京:國防工業出版社,2009:407-409.

Reason Analysis on Falling off of the Pin Roll of a Engine Manifold Bracket

YANG Jian, ZHANG Shuang, LIU Lei, ZHENG Yuan

(Xi’an Aero-Engine (Group) Ltd., Xi’an 710021, China)

Falling off and cracks occurred to the pin roll of a engine manifold bracket during use. The fracture reasons for peeling off and cracks of the pin roll were analyzed by means of macroscopic and microscopic fracture analysis, metallographic examination and structural analysis. The results indicate that: under the vibration stress of the engine, fatigue cracks appeared at the welding spot of the bracket and the pin roll, and then resulted in the falling off of the pin roll of the manifold bracket; the reason of the falling off was the unreasonable structural design and joint technology and the low welding strength.

bracket; pin roll; welding spot; falling off; fatigue crack

10.11973/lhjy-wl201707014

2016-09-26

楊 健(1960-)，男，研究員，主要從事失效分析與金屬材料檢測工作，yang7643@163.com

TG115.2; TG405

B

1001-4012(2017)07-0515-04