一種復合結構箍帶斷裂失效分析

孫越，張栓，劉洋，遲岑

（中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，沈陽110043）

0 引言

箍帶組件是一種快卸或可拆卸式卡箍[1]，多用于支撐和固定管路、堵蓋等。箍帶組件對管路具有調節固有頻率和降低振動應力的作用，可有效改善管路的系統動態特性，是保障管路系統使用安全性的重要部件[2]。

箍帶組件的失效問題時有發生，其失效形式主要以斷裂為主。國內有研究人員對箍帶組件的失效問題原因進行了深入分析：呂鳳軍、燕翔、陳亞莉[3-5]研究了制造工藝對箍帶組件斷裂失效問題的影響；李洋[6]通過斷口分析及仿真計算分析獲得箍帶組件的應力分布形式，為提高結構強度提供依據。

針對一種短時工作后多發的復合結構箍帶斷裂故障，本文從箍帶原材料、設計結構尺寸、實物質量、生產及使用要求和強度等方面進行排查分析，并最終確定問題產生的原因，制定了相應改進措施，提高了產品的使用安全可靠性。

1 故障現象描述

圖1 箍帶組件斷裂位置示意圖

在交付客戶前，對某產品在廠內進行短時磨合工作，多次發現用于固定增壓泵至主燃油濾進口油管的一種復合結構箍帶組件發生斷裂。其斷裂位置均為箍帶與支架焊接位置，損傷部件均為箍帶本體，如圖1所示。

此種復合結構箍帶組件由支架、箍帶、拉桿、軸套及螺母構成，支架與箍帶之間采用電阻點焊方式連接，支架端通過轉接支架固定于附件機匣殼體上。箍帶組件的裝配狀態如圖2所示。

圖2 箍帶組件裝配狀態示意圖

2 故障分析

結合箍帶組件發生失效問題時相關零組件的損傷情況，可以判斷箍帶斷裂為該問題的頂事件。列出可能引發箍帶斷裂的各影響因素作為底事件，建立故障樹[2,7]如圖3所示。

圖3 故障樹分析圖

根據圖3所列故障樹各底事件，對箍帶的原材料、斷口分析、設計、制造、裝配工藝及使用過程進行復查，對各影響因素逐項排查，結合分析、驗證以確定斷裂問題產生的原因。

2.1 箍帶原材料復查

2.1.1 材料特性分析

箍帶材料為0Cr18Ni9，是一種奧氏體不銹鋼，該材料具有良好的焊接性能及耐腐性，因此應用范圍十分廣泛。該材料冷變形后可有效提高強度，因此設計選用的箍帶為半冷作硬化狀態不銹鋼冷軋帶，其抗拉強度σb≥930 MPa，拉伸率δ5≥7%。此種材料狀態的箍帶在各型產品上均大量采用，經強度校核，具有較高強度儲備，且工作過程中使用可靠性較高。

2.1.2 箍帶實物情況

1）化學成分。斷裂箍帶的能譜分析結果如表1所示，實測箍帶的主要化學元素質量百分比符合設計材料標準（GJB 3321-1998）要求，斷裂箍帶的材料確定為0Cr18Ni9合金。2）力學性能。對斷裂箍帶進行維氏硬度檢測，測量結果為328 HV，符合硬度不小于310 HV的性能要求。3）金相組織。對斷裂箍帶的金相組織進行顯微觀察，其奧氏體特征明顯，與箍帶實測硬度應有的顯微組織相符，未見異常。

表1 能譜分析結果 %

圖4 箍帶金相顯微組織

2.1.3 材料出廠質量及入廠復驗

復查斷裂箍帶所在批次的箍帶原材料不銹鋼冷軋彈簧帶《產品合格證》，其原材料供應商已按標準規定將產品各項指標檢測合格出廠；復查斷裂箍帶所在批次的箍帶原材料不銹鋼冷軋彈簧帶《入廠檢驗記錄》，其產品合格證明、化學成分、交貨狀態、力學性能數據及外觀質量等均經廠內相關檢驗人員復驗合格后入庫。通過箍帶原材料復查，可以排除底事件X1、X2、X3。

2.2 斷口分析

如圖5所示，對箍帶的斷口形貌特征進行宏觀觀察：1）斷口顏色。斷口呈亮灰色，焊點根部可見輕微氧化色，無夾雜物等外來物的顏色。2）斷口紋樣。整個斷口可見明顯放射線臺階和弧線擴展形貌，斷口為多源疲勞斷口，疲勞起源于箍帶外表面焊點根部，并向中間及左右兩側擴展。3）斷口邊緣情況。斷口邊緣較為平整，無機械損傷痕跡；下邊緣焊點根部未見裂紋、燒傷等冶金缺陷。4）斷口冶金缺陷。斷口無夾雜、晶粒粗大、白斑等缺陷，也無外來異金屬。

圖5 箍帶斷口宏觀形貌圖

根據上述觀察結果，分析認為：焊點斷口呈疲勞臺階形貌，為多源疲勞斷口。裂紋從箍帶外表面的兩焊點根部位置起始，并由外表面向內表面及兩側擴展并最終斷裂。表明箍帶不是受到突增應力作用導致的瞬斷，而是在綜合應力作用下導致的疲勞斷裂。通過斷口分析，可以排除底事件X4、X6。

2.3 設計復查

對設計狀態下箍帶組件的受力情況進行仿真分析。箍帶組件裝配后，其工作狀態如圖2所示：支架上端孔處通過轉接支架固定于發附機匣，工作過程中，由于箍帶組件整體隨整機振動，故認為其受到垂直方向（Y軸正向）的載荷。

根據箍帶組件的實際失效情況：箍帶與支架焊接處發生斷裂破壞，其余零件未見損傷。因此建模過程中，僅對支架及箍帶建立有限元模型，其余零件（包括拉桿、軸套及螺母）均以質量參與的方式在仿真過程中予以體現[8-9]，有限元模型如圖6所示。

對模型相關節點進行約束并施加載荷，模擬振動條件下箍帶受載強度分析計算。通過仿真計算，箍帶組件的應力云圖如圖7所示。計算結果表明，箍帶最大應力出現在與支架焊接處外側第一排焊點周圍，最大應力值為404 MPa，表現為拉應力，與受力分析及實際失效情況相吻合。

仿真計算結果表明，在模擬常規工作環境下，箍帶組件的最大應力值遠低于箍帶材料的抗拉強度指標（930 MPa），表明箍帶組件的設計強度可以滿足使用要求。但在箍帶組件靠近支架孔端第一排焊點處出現應力集中區域。箍帶與支架焊點處應力集中可能是引發箍帶斷裂的影響因素。

圖6 箍帶組件有限元模型

圖7 箍帶組件應力云圖

2.4 制造工藝復查

2.4.1 結構尺寸復測

經對斷裂的箍帶組件的支架角度、箍帶直徑、支架與箍帶焊點位置、箍帶兩側焊點位置等關鍵尺寸檢測，均符合設計圖樣技術要求。因故障箍帶已經斷裂，無法測量箍帶直徑尺寸，故選擇斷裂箍帶所在批次的其余箍帶進行了測量。

2.4.2 工藝生產過程

箍帶零件現行有效設計圖為A版設計圖，未發生過更改。對斷裂箍帶所在批次加工工藝路線進行檢查，確認其毛料表面處理、除污、沖切、拋光、彎曲、壓彎等工藝過程均符合工藝文件要求，并經100%檢驗合格入庫。

復合結構箍帶組件現行有效設計圖為A版設計圖，未發生過更改。對箍帶組件加工工藝路線進行檢查，確認其拋光、裝配、劃線、點焊、鉗加工等工藝過程均符合工藝文件要求，并經100%檢驗，焊接位置尺寸、焊接質量等完全符合設計圖樣要求。通過裝配工藝復查，可以排除底事件X5。

2.5 裝配工藝復查

對現行有效設計圖進行檢查，確認其中對箍帶組件的使用無特殊裝配技術要求。結合箍帶組件受力仿真分析情況，確定在裝配過程中是否對箍帶組件施加了初始應力。復查裝配工藝文件，文件要求箍帶組件須在導管兩端固定后進行裝配，在將箍帶組件固定到轉接支架上之前應調整箍帶位置，保證箍帶組件支架孔與轉接支架安裝孔沿管路軸線方向無重疊，并用塞尺檢查箍帶組件與轉接支架組件孔下貼合面無間隙。調整完成后，擰緊箍帶組件螺母即可，擰緊力矩要求2.0～2.5 N。通過裝配工藝復查，可以排除底事件X8。

2.6 工作過程復查

與同型其它產品相比，裝用故障箍帶組件的產品的技術狀態及工作狀態要求均未發生改變，工作振動環境基本一致。且復查產品的廠內工作過程，未發現在工作階段內出現振動超標的情況。通過工作過程復查，可以排除底事件X9、X10。

3 故障機理分析

從箍帶斷裂故障樹中所列各因素分析得出如下結論：1）箍帶組件仿真計算結果表明，箍帶與支架焊接處外側第一排焊點為應力集中位置，且表現為拉應力。2）失效箍帶斷口存在明顯放射線臺階和弧線擴展形貌，為多源疲勞斷口，證明箍帶不是因受到瞬時突增應力而導致損傷斷裂。

據此可以確定箍帶斷裂的原因是：工作過程中箍帶組件處于較大的振動環境下，箍帶及支架受到焊接內應力及振動應力的綜合作用力，在箍帶組件外表面兩焊點處形成應力集中；而箍帶與支架材料相同，但其厚度小于支架，故疲勞性能低于支架[10]，因此疲勞破壞從應力集中的焊點位置起始，并穿透箍帶發生斷裂。

4 危害性分析

從箍帶功能角度分析箍帶斷裂對管路焊縫處的動應力是否產生影響，以及產生何種程度的影響。為了驗證箍帶斷裂后管路焊縫處的動應力是否在允許范圍內，進行了多次模擬工況試驗并測量其動應力值。如圖8所示，試驗時，首先測量原狀態下管路間連接處焊縫（位置1）及與增壓泵連接端焊縫處（位置2）動應力值，然后將箍帶組件拆下，在管路連接的自由狀態下，對上述兩處焊縫位置的動應力進行測量，測量結果如表2所示。

圖8 動應力測量應變片位置示意圖

表2 動應力測量結果

從動應力測量結果看，箍帶組件拆下后，管路動應力值雖有所增加，但兩種狀態下的動應力均符合設計標準要求。因此正常工作狀態下，箍帶發生斷裂不會引發管路的振動應力突升并造成管路斷裂等嚴重后果。

5 改進措施

針對復查及分析結果，制定改進措施如下：將原結構箍帶組件由支架與箍帶點焊連接結構改為拉桿對拉桿機械連接結構。這種結構改進消除了原焊點位置的應力集中及板材厚度差異對箍帶疲勞性能的影響。

對改進結構的箍帶組件所固定的導管進行動應力測量，測量結果符合要求。經長時效仿工況試驗驗證，箍帶及所固定的導管情況均良好，證明改進措施正確有效。

6 結論

通過對復合結構箍帶組件的箍帶斷裂失效問題進行系統分析與研究，建立故障樹，對原材料、設計、制造、裝配等各環節中可能造成問題的各因素進行逐項排查，最終找出了問題產生的原因，并制定了改進結構、消除應力集中的措施。經驗證，改進措施正確、有效，并在后續使用過程中未再發生此類故障，對提升產品質量及使用可靠性具有積極的指導和借鑒意義。