某型飛機發動機高空修正器膜盒組件故障分析

王 豪，何志良，徐 輝

（1.海裝駐長沙地區軍事代表室,湖南 長沙，410000;2.海裝駐南昌地區軍事代表室,江西 南昌，330024）

2021 年6 月，某部隊在訓練時發生一起發動機空中停車飛行事故征候。現場檢查確認發動機空中停車的原因是燃油調節器內部故障，導致貧油停車。經返廠檢查，燃油調節器故障原因是高空修正器組件中的膜盒組件失效、膨脹變長，使流量擺活門開度增大，燃油泵回油量變大，燃油調節器計量油針前后壓差減小，供油量變小，最終導致發動機貧油停車。

1 產品簡述

膜盒組件（以下簡稱膜盒）裝在與某型發動機配套的燃油調節器上,通過感受進氣道總壓輸出力與位移修正燃油調節器油針壓差，起到改變供油量作用。

膜盒屬于焊接膜盒串結構的真空敏感元件，由10 個零件組成共9 道焊縫，全部零件均采用真空電子束焊接設備焊接。焊接時，先將底座與外膜片焊接，然后進行時效處理，再與內膜片進行外圓焊接，最后將中心桿焊接，其結構見圖1。

圖1 膜盒組件結構圖

2 故障初步檢查

2.1 外觀檢查

檢查合格證，核對膜盒編號，文實相符。對膜盒進行體視鏡檢查，外觀良好。

2.2 性能復測

按照產品規范要求對膜盒長度測量。在750mmHg時，膜盒長度為30.83mm，超出規范要求mm)。

對膜盒進行0℃～95℃溫度位移測試，實測結果為大于0.8mm（已超量程無測量值），超出規范要求（≤0.08mm）。

對膜盒進行壓力—位移性能測試，總位移變小為1.835mm，超出規范要求（4.16mm±0.30mm）。

上述測試結果表明，膜盒內腔已明顯進入空氣，導致膜盒長度變長、溫度位移變大、壓力—位移特性超差，判定膜盒泄漏。

2.3 著色檢查

對膜盒進行著色探傷檢查，在底座與外膜片焊接部位圓周方向產生約3mm 的紅色痕跡（無標印面），見圖2，疑似膜盒泄漏部位，其他部位未見異常。

圖2 膜盒著色檢查

2.4 氣泡法氣密性檢查

在故障膜盒標印面鉆孔并焊接導氣管，將故障膜盒置入航空汽油內，通過接嘴毛細管向膜盒內腔緩慢加氣壓，進行泄漏檢查，發現膜盒無標印面底座與外膜片焊縫部位有大量氣泡溢出，見圖3。膜盒其他部位未發現氣泡。確定故障膜盒泄漏部位為無標印面底座與外膜片焊縫部位,即為膜盒著色檢查的疑似部位。

圖3 外膜片泄漏檢查圖

2.5 電鏡檢查分析

利用掃描電子顯微鏡，對故障膜盒泄漏部位進行觀察，該部位有圓周方向裂紋長約14mm，約占整個焊縫周向長度的四分之一，見圖4（a）。將裂紋部位局部放大，可見裂紋已張開，見圖4（b）。裂紋部位無外來損傷。

圖4 膜盒電鏡圖

2.6 故障初步分析結論

經過以上故障試驗分析，在對泄漏部位進行定性、定位分析的基礎上，判定膜盒在外場發生的泄漏故障為膜盒的外膜片與底座局部焊縫開裂引起。

3 膜盒泄漏故障樹分析

3.1 故障樹建立

針對膜盒泄漏故障可能原因，建立故障樹進行分析，見圖5。

圖5 膜盒組件泄漏故障樹

3.2 故障樹底事件排查分析

3.2.1 底事件X1（材料選用不滿足要求）排查

經核查，從研制初期至今，膜盒中的外膜片、底座材料未發生設計變更，且這兩種材料均可在空氣中正常使用，廣泛應用于類似產品中。在-55℃～+80℃環境下均能可靠使用，能夠滿足技術協議中規定的環境濕度95+3%、溫度為40℃±2℃的要求。

結論：可以排除底事件Xl（材料選用不滿足要求）對故障的影響。

3.2.2 底事件X2（結構設計不滿足要求）排查

經核查，該膜盒于20 世紀90 年代初參考俄制樣件研制，為測仿產品。經對2 件俄制樣件、11 件不同批次的國產膜盒分別從產品性能、結構、材料、工藝方法、焊縫形貌等五個方面進行對比分析，形成結論如下：

1）國產膜盒與俄制樣件功能性能相當。

2）國產膜盒與俄制樣件整體結構構成相同，但實際形成的焊縫結構具有較大差異，國產結構不利于焊縫的良好成形。

3）對比故障膜盒與俄制樣件，膜片材料均為彈性合金，底座材料均為奧氏體不銹鋼。硬度、晶粒度對比數據見表1。

表1 晶粒度硬度對比

對比以上數據可得，俄制樣件材料組織晶粒細、硬度高，綜合機械性能優于國產膜盒材料。

4）對比焊接工藝，俄制樣件中膜片與膜片的連接方式為電阻縫焊，國產膜盒為電子束焊，其余焊縫均為電子束焊。分析認為，電阻縫焊與電子束焊焊接方式不影響膜盒性能。

5）焊縫形貌對比：一是國產膜盒焊縫形貌不一致且不規則，說明零件尺寸的分散度以及焊接前的裝夾分散度都比較大；二是國產膜盒焊縫熔寬分布不一致，說明不同零件外膜片與底座焊縫焊接過程中熱輸入點分散度較大；三是底座凸臺殘余高度不一致，說明不同零件外膜片與底座焊接過程中熱輸入量分散度較大。可以認為國產膜盒零件加工、焊接裝夾分散度較大，熔焊過程不穩定。與俄制樣件相比，底座焊接凸臺設計寬度僅為0.2mm，焊接時難以達到俄制樣件熔寬成形狀態，設計不夠合理。

結論：不能排除底事件X2（結構設計不滿足要求）對故障的影響。

3.2.3 底事件X3（熱處理工藝缺陷）排查

在故障膜盒裂紋端切割取樣，進行金相組織檢查，故障膜盒的膜片晶粒度、硬度，故障膜盒的底座晶粒度、硬度符合工藝要求，未見異常。

結論：可以排除底事件X3（熱處理工藝缺陷）對故障的影響。

3.2.4 底事件X4(焊接工藝缺陷）排查

針對故障膜盒進行焊接工藝分析，分析焊縫是否存在工藝缺陷。經外觀檢查確認，焊縫成型良好，不存在焊偏、焊歪等現象。故障膜盒金相組織分析表明，膜盒標印面和無標印面焊接部位焊菇形狀、焊縫與底座過渡狀態等焊縫形態存在明顯差異，反映出焊接質量存在一定的分散性。經查，同批膜盒焊接合格率僅為71%，相較其他批次明顯偏低。

結論：通過對以上兩方面的分析，不能排除底事件X4（焊接工藝缺陷）對故障的影響。

3.2.5 底事件X5（外膜片材料缺陷）排查

針對故障膜盒所屬批次（“17-1”批）進行核查，總計交付16 件膜盒。從流動卡、隨卡記錄等信息分別進行統計核查，未發現異常，生產符合工藝要求。故障件產品所用外膜片（“17-1”批）原材料入廠復驗記錄檢驗合格，滿足設計標準要求，且無材料代用情況。

結論：可以排除底事件X5（外膜片材料缺陷）對故障的影響。

3.2.6 底事件X6（底座材料缺陷）排查

故障件產品所用底座（“檢外1611-11”批）原材料入廠復驗記錄檢驗合格，滿足設計標準要求，且無材料代用情況。

結論：可以排除底事件X6（底座材料缺陷）對故障的影響。

3.2.7 底事件X7（工作載荷異常）排查

經排查，燃油調節器中的壓力工作載荷未見異常。

結論：可以排除底事件X7（工作載荷異常）對故障的影響。

3.3 故障定位

1）結構設計不合理是導致故障的主要原因。一方面底座與膜片搭接焊接處存在尖角，尖角結構形式會產生高應力集中；另一方面現有焊接結構設計形式易造成焊縫熔寬或熔深小的焊接成形不充分情況，結構整體疲勞抗力低。焊縫尖角處應力水平高，疲勞抗力不足，導致膜盒使用過程中產生疲勞裂紋。

2）焊接工藝不完善是導致故障的次要原因。膜盒零件加工、焊接裝夾公差大，電子束能量調控頻次不夠，不同批次膜盒焊縫中心分散于膜片與底座，一致性差。

3）檢測方法不完善是導致故障的相關原因。焊縫質量判定方法標準未量化，沒有熔深、熔寬等焊接成形質量檢驗的相關具體要求，導致質量檢驗中不能有效檢出焊接成形異常的產品。

4 故障機理及原因

膜盒故障現象為：底座與外膜片焊縫部位出現穿透裂紋,導致膜盒泄漏、性能超差。

由于底座與外膜片部位搭接焊接處存在尖角，尖角結構形式會產生高應力集中；另一方面，現有焊接結構設計形式易造成焊縫熔寬或熔深小的焊接成形不充分情況，結構整體疲勞抗力低。焊縫尖角處應力水平高，疲勞抗力不足，導致膜盒使用過程中產生疲勞裂紋。

5 膜盒泄漏故障復現

為復現故障，抽取1 件工作時間為619h 的膜盒，按照GJB15O.16 條要求進行振動試驗，采用正弦振動試驗方法，振動恒加速度值按10g 進行控制，試驗曲線選擇圖A1 中D 曲線,在進行完第二個方向振動后，發現膜盒泄漏變長。將該膜盒取樣進行金相分析，發現膜盒開裂部位為底座與外膜片焊縫位置（見圖6），與此次膜盒泄漏故障開裂部位基本相同，故該故障進行了復現。

圖6 膜盒開裂部位金相圖

6 糾正措施

此次膜盒泄漏故障為設計及制造質量問題，為提高后續產品質量，參考俄制樣件對焊接接頭開展焊接接頭尺寸優化，同時，加嚴公差和膜片配合尺寸，后續探索開展焊接接頭形式改進為外膜片不沖孔的整體點焊結構設計；工藝方面，改進工裝、增加焊接燈絲和焦點控制要求，增加焊縫焊后抽樣破壞檢測，保證焊縫的熔深（≥0.4mm）和熔寬（≥0.5mm）一致性，改進焊接質量和提高焊接工藝穩定性。

改進后的5 個膜盒組件隨發動機地面試車、高空試飛后，各項參數均正常，改進措施有效。

7 舉一反三

針對此次故障，為消除潛在質量安全隱患，膜盒承制廠開展了“發動機配套產品的舉一反三”工作，共梳理出88 項發動機配套彈性元件類產品，波紋管類產品59 項、膜盒類產品29 項。其中與故障膜盒焊接接頭類似的產品共18 項，從樣件測仿分析、焊接接頭設計、外廠故障發生情況、焊接工藝過程確認、熔深檢測要求以及例行試驗等方面對這些產品進行了清查工作，有效保障了產品質量。