激光沖擊強化對加力燃燒室火焰探測器焊縫的影響

田 增 ，王亞洲 ，羅思海 ，李國杰

（1.空軍工程大學航空工程學院，西安 710038；2.西安天瑞達光電技術股份有限公司，西安 710077）

0 引言

某型渦扇發動機加力燃燒室火焰探測器自2015年至今共發生11 起裂紋故障，裂紋均出現在中心電極窗口處，在2017 年開始采用激光沖擊強化（Laser Shock Peening，LSP）工藝對中心電極窗口位置進行處理，窗口處裂紋問題得以根本解決。同時，為消除焊接拉應力，對火焰探測器焊縫及熱影響區進行了激光沖擊強化處理。但在2019年底的外場測試中，1個經激光沖擊強化處理后的火焰探測器因焊縫位置產生裂紋而導致發動機停車。針對火焰探測器中心電極窗口位置和焊縫位置材料完整性特征，并結合激光沖擊強化特點，對此次火焰探測器焊縫處開裂原因進行了分析。

孫慧等、劉建翔等對火焰探測器功用做了較為詳細介紹，作為發動機加力點火控制系統的組成部分，其中心電極通過氬弧焊的方式與探管焊接成為一體，用以感受發動機加力燃燒室火焰的點燃和熄滅。由于中心電極窗口位于焊接接頭熱影響區范圍內，加之火焰探測器將承受包括發動機振動和加力氣流激振，窗口位置易造成疲勞開裂。激光沖擊強化技術是近些年應用廣泛的1 項較先進的表面強化技術，采用短脈沖高能激光在金屬表面誘導產生高達10 GPa的沖擊波，可以在金屬表層預置1.5 mm 以上的殘余壓應力層。Dorman 等、李啟鵬等的大量研究表明，激光沖擊強化技術可以有效提升含缺陷鋁合金部件、航空發動機葉片及眾多金屬零部件的疲勞壽命；隨著航空發動機性能不斷提升，為消除零部件焊接接頭拉應力可能引起的連接件開裂問題，周磊等、蘇純等、黃瀟等、陳風國等將激光沖強化技術應用于焊接接頭的處理，均取得良好的效果；唐凱等、羅學昆等、CHOI 等研究表明，對于具有組織和結構完整性的材料，激光沖擊強化處理后抗疲勞效果均顯著提升。

本文針對完整性較好材料，采用X射線衍射方法和金相方法分別測試了LSP 強化后殘余應力和金相組織，對強化效果進行分析；采用掃描電子顯微鏡對開裂的斷口進行觀察；在Abaqus 有限元分析軟件中建立與焊縫分層結構相似的有限元模型，對LSP沖擊波傳播過程進行了模擬仿真。結合試驗與有限元的研究成果，對激光沖擊強化后燃燒室離子火焰探測器開裂原因進行分析。

1 研究對象和試驗方法

1.1 研究對象

某型火焰探測器的中心電極材料為GH3044，探管材料為GH2747，通過氬弧焊的方式將二者焊接在一起，焊縫裂紋形貌如圖1 所示。裝機不到5 h，焊縫位置出現裂紋，以窗口為起點逆時針方向進一步觀察，發現裂紋在焊縫位置已擴展至近3/4圓周。

圖1 火焰探測器焊縫裂紋形貌

激光沖擊強化區域如圖2 所示。從圖中可見，窗口處強化整個內側截面，2 排光斑，均要求過邊，且窗口外圈1周1.5 mm進行強化；焊縫區域處理包含焊縫在內，一側至窗口邊緣，另一側以焊縫邊緣向外延伸5 mm的整個周向區域均進行激光沖擊強化處理。

圖2 激光沖擊強化區域

采用西安天瑞達光電技術股份有限公司的YD60-M165 激光沖擊強化設備對圖2 區域進行激光沖擊強化處理。根據Fabbor 等提出的激光功率密度經驗公式，并結合GH3044 合金和GH2747 合金的Hugoniot 彈性極限，激光沖擊能量為5 J，光斑直徑為2.2 mm，無吸收保護層，強化3次。

1.2 試驗方法

切取含裂紋的焊縫位置，對截面采用800#、1200#、1500#砂紙和金相拋光布進行磨拋處理，采用OLYMPUS SZ61 低倍顯微鏡對截面宏觀形貌進行觀察。采用LEICA DMI 3000 M 金相顯微鏡對含裂紋截面及強化前后的金相組織進行觀察。

在中心電極一端銑出15 mm×15 mm 平面，采用愛思特X 射線應力測定儀對激光沖擊強化前后殘余應力進行測試。測試方法為

側傾固定角，定峰方法為交相關法，使用Cr（Kα）輻射，起始角為134°，終止角為124°，角分別為0°、24.2°、35.3°和45°。

采用機械方法打開裂紋，打開過程中盡量不接觸斷口，避免斷口二次損傷，采用ZEISS EVO MA25 掃描電子顯微鏡對整個斷口進行觀察。

2 試驗結果

2.1 斷口形貌

2.1.1 焊縫縱向形貌

焊縫縱向形貌如圖3 所示。從圖中可見，焊縫處探管與中心電極焊后中間存在間隙。焊前貼合面可由未熔化中心電極凸臺邊緣確定，在裂紋傳播過程中穿過焊前貼合面擴展至焊縫外表面，裂紋底部位于探管一側靠近焊縫貼合面。

圖3 焊縫縱向形貌

2.1.2 斷口宏觀形貌

斷口取樣位置如圖4（a）所示。定義火焰探測器窗口位置為12 點，其余位置逆時針沿焊縫1 周而確定，沿裂紋將斷口打開后，觀察探管一側斷口，則3 點和9 點位置恰好相反。整個探管一側斷口宏觀形貌及位向關系如圖4（b）所示。從宏觀上看，沿斷口一周的內壁上分布有多個裂紋源，呈放射狀向外壁擴展。

圖4 斷口形貌

2.1.3 斷口微觀形貌

在5 點鐘到6 點鐘位置，靠近內壁出現了厚度約為100 μm 的組織缺欠，如圖5（a）所示。對組織缺欠位置放大至500倍（如圖5（b）所示），可見在組織缺欠處形成了近乎垂直走向的2 種形貌，并可見在相鄰條帶的谷底已經萌生出二次裂紋，確定其延伸至組織缺欠處的位置為裂紋源。

圖5 組織缺欠

2.2 結構完整性材料強化效果

2.2.1 殘余應力

中心電極殘余應力測試結果見表1。從表中可見，經激光沖擊強化處理后，殘余壓應力提升了1.93倍。

表1 中心電極殘余應力測試結果

2.2.2 金相組織

在金相顯微鏡下，觀察火焰探測器探管材料在激光沖擊強化處理區和未強化區的金相組織（放大200倍），如圖6所示。參照GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測定方法》中方法及晶粒數統計規則，不同處理狀態金相組織中隨機放置2 個直徑相同虛線圓，對相同面積圓內的晶粒數進行統計

圖6 金相組織（200倍）

式中：為晶粒總數；為虛線圓內部晶粒數；為與虛線圓相交晶粒數。

激光沖擊強化區和未強化區的晶粒數的統計結果見表2。從表中可見，在相同面積內，激光沖擊強化區域晶粒總數高于未強化區的。

表2 晶粒數統計結果

3 焊縫異常開裂原因分析

由于中心電極具有材料完整性特征，經激光沖擊強化處理后，表面殘余壓應力增大且晶粒得到細化。表面殘余壓應力的增大可以有效平衡工件承受的拉應力，對裂紋萌生有較好的抑制作用；晶粒得到細化后使晶界面積增加，對裂紋萌生和擴展的抑制作用更加明顯。

探管和中心電極之間存在間隙（圖3）。火焰探測器在工作狀態下的振動，會使探管產生徑向位移。根據剖面圖建立2 維有限元模型，將探測器左側固定，并在探管末端設置0.1 mm 的位移，分析其在振動環境中的受力狀態。中心電極和探管的材料均為高溫合金，彈性模量為203 GPa，泊松比為0.29。最小網格尺寸為0.03 mm，網格數量為4125，單元類型為CPS4R和CPS3，劃分后的有限元模型如圖7所示。

圖7 有限元模型

火焰探測器受力狀態有限元模擬結果如圖8 所示。從圖中可見，在火焰探測器振動條件下，中心電極與探管在靠近焊接位置為應力集中區域，易產生疲勞破壞。

圖8 火焰探測器受力狀態有限元模擬結果

在Abaqus 有限元軟件中建立與圖5 斷口觀察的缺欠相似的3 維分層結構1/4 有限元模型，如圖9 所示。焊縫層1厚度為0.9 mm，焊縫層2厚度為0.1 mm，二者之間的黏合剪切強度和黏合抗拉強度均設置為1000 MPa，材料均為高溫合金。激光沖擊光斑直徑為2.2 mm，由于所建立的為1/4模型，因此激光沖擊壓力區域為模型頂面的1/4 扇形，半徑為1.1 mm。最小網格尺寸為0.05 mm，單元類型為C3D8R，網格數量為16萬。

圖9 3維分層結構1/4有限元模型

茍磊等、劉子昂等對激光沖擊波壓力加載模型做了大量研究，很好地模擬了沖擊波壓力在材料中的作用效果。

分層結構激光沖擊強化仿真結果如圖10 所示。從圖中可見，在第25×10s 時，沖擊波作用于材料表面并向內部傳播；在第175×10s時，沖擊波前沿到達材料分層界面處，由于沖擊波前沿的壓力相對較小，其產生的應力未超過分層結構的黏合強度，此時分層界面并未開裂；在第250×10s時，沖擊波峰值到達材料分層界面處，產生的應力超過分層結構的黏合強度，分層界面開裂；在第326×10s 時，在沖擊波的影響下，分層界面開裂程度進一步提高。

圖10 分層結構激光沖擊強化仿真結果

火焰探測器開裂過程如圖11 所示。由于存在焊接缺陷，在火焰探測器焊縫區有分層結構，在激光沖擊強化過程中，GPa 級的沖擊波使得分層結構過早開裂，并萌生裂紋。在振動工作狀態下，在靠近焊合面處產生應力集中，在振動載荷作用下，裂紋進一步擴展至整個厚度區域，造成火焰探測器在焊縫區開裂。

圖11 火焰探測器開裂過程

4 結論

（1）中心電極具有材料完整性較好的區域，經激光沖擊強化后，可以在表層預置較大殘余壓應力，并且使強化區晶粒細化；

（2）火焰探測器焊縫位置存在材料分層缺陷，裂紋在材料分層處萌生；

（3）激光沖擊強化過程中沖擊波作用于材料分層位置，使分層位置處加速開裂并萌生裂紋，在振動載荷作用下進一步擴展，最終貫穿整個焊縫。

建議優化焊接工藝，提高焊接質量，以降低在激光沖擊強化過程中的缺陷敏感性。