基于1Cr11Ni20Ti2B鋼卡箍斷裂原因分析及改進

陳體磊 張迪 張志強 吳笑笑 邢敬偉

摘要：卡箍在飛機上應用廣泛，常用于各種氣瓶的固定，其質量關系著飛行安全。飛機冷氣瓶固定卡箍經常發生箍體斷裂問題。用點焊方式焊接斷裂位置處，通過體視觀察、斷口金相觀察、斷面成分分析、低倍試驗、拉伸試驗分析發現，卡箍斷裂屬于腐蝕疲勞斷裂，疲勞源在卡箍表面焊點與熱影響區交界處;金相檢查發現卡箍焊點與熱影響區的交界處存在細小裂紋。分析了卡箍斷裂原因，并提出了預防措施。

關鍵詞：失效分析;腐蝕疲勞;焊接缺陷;1Cr11Ni20Ti2B焊接

中圖分類號：TG457.11 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）04-0101-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.04.20

0 ? ?前言

飛機的冷氣氣瓶固定卡箍是用1.2 mm厚的1Cr11Ni20Ti2B鋼板制成的鋼帶經沖壓、彎折、電阻焊接而成的環形件。卡箍的技術性能要求較高，工作條件惡劣，一旦失效會影響系統性能，從而影響飛機壽命。卡箍有嚴格的密封性要求，并且要具有抗高溫變形和氣體流動、抗各種沖擊載荷等特性，以應對各種復雜飛行環境的考驗。

文中詳細分析了氣瓶固定卡箍的宏觀、斷口宏微觀，并通過材料成分分析、低倍試驗、拉伸試驗等分析了影響卡箍斷裂的原因。

1 試驗過程與結果

1.1 宏觀及體視觀察

該卡箍是通過卡箍帶螺紋一側從螺栓套一側穿出，將兩側螺栓套組合起來，從而固定住卡圈，并進一步將鎖緊螺母箍緊，組合卡箍成一體，實現其功能，如圖1所示。宏觀觀察發現，卡箍帶螺紋一側焊接位置處斷裂失效，該處由兩層相同材質的1.2 mm+1.2 mm厚度的1Cr11Ni20Ti2B鋼點焊而成，斷裂點在內側箍帶部位，斷面沿兩個點焊位置邊緣延伸呈不規則斷裂，同時邊沿處未見機械損傷跡象，其變形角度較大，如圖2所示。

1.2 斷口微觀形貌

用丙酮清洗卡箍斷口后，在掃描電鏡下進行觀察，斷面微觀形貌如圖3所示。可以看出，點焊處有明顯變形，分析其原因是：在壓力作用下，瞬時大電流將兩層母材焊接在一起，卡箍箍帶母材會有一定的變形量。

斷口擴展區相比其他區較為平整，可見部分弧形裂紋棱線無規則地交叉，形成較稠密的擴展線，這些擴展線的交點即為疲勞裂紋源[1]。這是多種疲勞源的典型特征，也是腐蝕疲勞的典型特征[2]。通常腐蝕疲勞為多源疲勞，分布有較多的腐蝕產物。因此，初步分析該卡箍是腐蝕疲勞開裂引起的疲勞斷裂。腐蝕疲勞源區通常能看到沿晶斷口上的細微明顯特征，如圖4所示。

進一步觀察發現，撕裂棱線從焊點壓痕處開始，可判定斷裂起源于兩焊點壓痕與基體交接處，即外表面焊縫的熱影響區交接處，卡箍表面的疲勞源區附近有釬細型開口形狀裂紋，如圖5所示。

觀察箍帶表面痕跡、損傷發現，斷口位置無明顯的磨損痕跡，如圖6所示。

瞬斷區呈現韌窩斷裂特征，部分斷面存在密密麻麻、不規則分布的韌窩[3]，韌窩大小、深淺程度、凹凸感不同，分析疲勞斷裂表現為塑性斷裂，如圖7所示。

1.3 斷口表面材料化學成分

為進一步研究疲勞裂紋產生的原因，在斷裂件上取樣，采用光譜法進行化學成分分析，結果見表1。斷裂鋼帶的主要元素含量符合技術條件的要求。

1.4 低倍試驗

在斷裂件上切取一焊點試片，沿焊點中心部位橫向制成金相試樣，截取斷面所在焊點截面進行低倍檢驗，并分析焊接質量。根據HB 5282 《結構鋼和不銹鋼電阻點焊和焊縫質量檢驗》中相關要求，斷面處兩個焊核焊透率約為58%，符合要求（見圖8）。同時，低倍腐蝕后觀察熔核形貌，熔核直徑3.6 mm，焊透率67%，壓痕深度0.16 mm。其中，熔核直徑、焊透率滿足設計要求，同時未見氣孔、縮孔及裂紋缺陷（見圖9），說明焊接質量合格。

1.5 拉伸試驗

選取50件點焊試樣，焊接參數如表2所示，點焊前用丙酮清洗試樣表面，去除油污，并用180#砂紙清理焊點處，進行100%X光檢測，合格后進行拉伸試驗，50個試件的平均值為6 491.06 N，試驗值均在平均值的±10%范圍內，滿足產品技術要求。具體分布如圖10所示。

2 分析與討論

通過微觀觀察初步判斷該卡箍斷裂為疲勞斷裂。由金相組織、斷口表面化學成分可知，母材材料符合技術條件要求。而從斷口區典型的疲勞條帶特征進一步證實了疲勞斷裂是引起卡箍斷裂的原因，并根據以往同類產品實踐經驗，加上疲勞裂紋擴展性能研究[4-6]，觀察箍帶表面摩擦痕跡，斷口位置未見明顯的機械磨損痕跡。從宏觀上看，斷口側表面無機械損傷特征，但斷裂后的卡箍張開角度程度較大，證實安裝狀態的卡箍表面殘余拉應力較大，這必然導致零件局部應力提高[7]。殘余壓應力使疲勞斷裂抗力增大，影響抗疲勞性能，而殘余拉應力使疲勞斷裂抗力進一步降低[8-9]，減弱卡箍抗拉強度同時削弱了其承載能力。綜上分析可知，應力集中處往往是構件破壞的起始點[10]，最終引起卡箍斷裂失效。應力釋放形成較大的張開角度，變形量達到一定程度引起卡箍斷裂。建議嚴格控制卡箍裝配過程，減小安裝造成的殘余拉應力。

可知斷裂失效原因為：（1）焊接過程中工藝參數調整不當，熱輸入較大，卡箍表面存在殘余應力;（2）電極壓力大，焊點壓痕深度過大，使焊接接頭有效受力面積減小;（3）裝配工藝不當，存在殘余拉應力。

可采取以下措施：（1）優化焊接工藝，改善焊點的金相組織;（2）降低卡箍裝配中拉應力;（3）增加卡箍的探傷檢測工序。

3 結論

（1）卡箍斷裂由疲勞引起，疲勞源區在卡箍表面焊縫與熱影響區的交界處。金相觀察發現在卡箍表面的疲勞源區附近有細小裂口，需加強對卡箍焊接質量的檢查，杜絕將有細小裂口的卡箍件安裝到機體。

（2）應力集中引起疲勞裂紋，通過優化工藝參數、減少熱輸入、降低裝配過程中的應力等措施，降低零件上應力集中對其性能的影響。

（3）嚴格控制焊接過程，增加探傷檢測工序。

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收稿日期：2020-11-08

作者簡介：陳體磊（1987—），男，學士，工程師，主要從事航空焊接的相關研究。E-mail：450674937@qq.com。