分享：航空管路补偿器平衡式波纹管开裂原因

郭河苗 (太原航空仪表有限公司,太原 030006) 

摘 要:在振动试验时,某航空管路补偿器的平衡式波纹管发生开裂。采用宏观观察、断口分 析、化学成分分析、金相检验和硬度测试等方法分析了波纹管开裂的原因。结果表明:该平衡式波 纹管的开裂性质为疲劳开裂;平衡式波纹管上靠近裂纹一端的内层波纹管与连接圈之间焊接接头 未熔合,使内部气体进入双层波纹管的夹层;平衡式波纹管第一个波峰外层内表面纵焊缝处存在表 面缺陷,会产生应力集中,裂纹起源于波纹管内表面应力集中处,在内部气体压力和振动试验循环 应力的共同作用下,裂纹不断向外表面和沿周向扩展,最终发生疲劳开裂。 

关键词:管路补偿器;平衡式波纹管;振动试验;未熔合;疲劳开裂 中图分类号:TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)12-0051-04

航空管路补偿器是飞机高压管理系统的柔性连 接和位移补偿部件,一般由一个或几个波纹管及结 构件组成,主要用于补偿热胀冷缩、振动、机械位移、 安装误差等原因引起的管路和设备尺寸变化,以消 除管路系统的应力,确保管路系统的安全[1]。管路 补偿器的核心补偿元件为金属波纹管,而波纹管在 服役过程中会受到振动、工作载荷、腐蚀等各种外力 和环境作用,导致波纹管破坏,因此波纹管的耐久振 动寿命和位移疲劳寿命直接影响到管路补偿器的使 用寿命。金属波纹管的失效形式通常包括疲劳开 裂、应力腐蚀和过载断裂等[2-7]。 某型号航空管路补偿器由双层波纹管组件构 成,其平衡式波纹管宏观形貌如图1a)所示,波纹管 材料牌号为 GH4169,单层壁厚约为0.60mm,由卷 管、焊接、固溶、校圆、液压成型、整体时效、气检等工 序加工而成。管路补偿器在完成y 向1h功能振动 和2h耐久振动试验后发生泄漏,经气密性检验发 现,泄漏部位为其平衡式波纹管的第一个波峰处,经 观察发现泄漏部位有一条肉眼可见的裂纹,裂纹沿 波纹管周向延伸[见图1b)],在振动试验过程中,管 路补偿器平衡式波纹管内部加载2.0 MPa的压力。 为了找出该管路补偿器平衡式波纹管开裂的原因, 笔 者对其进行了一系列的理化检验和分析,并对波纹管与两侧连接圈焊接接头的质量控制提出了建 议,以避免该类问题再次发生。 

1 理化检验 

1.1 宏观观察 

用体式显微镜观察泄漏位置,发现平衡式波纹 管第一个波峰外层有一条长约11mm 的直线型裂 纹,裂纹穿过纵焊缝沿波纹管周向延伸,并与纵焊缝 方向垂直(见图 2)。将波纹管用线切割方式剖开 后,对裂纹周围进行观察,发现波纹管与两端连接圈 通过电子束焊方式连接,平衡式波纹管靠近裂纹一 端 处只有外层波纹管与连接圈之间完成焊接,而内 层波纹管与连接圈之间未完成焊接,焊接接头未熔 合,存在焊接缺陷(见图3),与裂纹端相对另一端的 内、外层波纹管与连接圈之间焊接良好,未发现焊接 缺陷。

1.2 断口分析 

图4 开裂波纹管断口SEM 形貌 采用ZeissEVO18型扫描电子显微镜(SEM) 观察波纹管断口,结果如图4所示,断口上可见从内 表面起始的疲劳台阶和向外辐射的放射状条纹,可 以确定裂纹起源于波纹管的内表面,呈多源特征。 裂纹从波纹管内表面向外表面和沿周向两侧扩展, 已形成穿透性裂纹,且裂纹源区位于纵焊缝的两个 热影响区附近,可见明显的疏松、夹杂等表面缺陷, 裂纹起源于缺陷的根部(见图5,6)。裂纹扩展区可 见典型的疲劳条带及二次裂纹(见图7),无明显的 瞬断区。裂 纹 的 最 后 人 工 撕 裂 区 呈 韧 窝 特 征 (见 图8)。 用无水乙醇对断口进行超声清洗后,采用能谱 分析仪(EDS)对裂纹源区附近的夹杂物进行分析, 结 果显示除基体元素和合金元素外,碳、氧、铝元素 含量 异 常 偏 高,其 质 量 分 数 分 别 达 到 38.70%, 22.84%,16.41%,未见腐蚀性元素,初步判断裂纹 源区的夹杂物为氧化铝夹杂物。 

1.3 化学成分分析

采用碳硫分析仪和 X 射线荧光光谱仪分析管 路补偿器平衡式波纹管材料的化学成分,结果如表 1所示。由表1可知:元素含量均符合技术要求。

1.4 金相检验 

在平衡式波纹管裂纹的断口处及波纹管两端与 连接圈的焊接接头处分别截取横向和纵向试样,用 光学显微镜对试样进行观察。断口处的纵向试样抛 光态表面存在明显可见的 B类非金属夹杂物(见图 9),试 样 经 腐 蚀 后 观 察,断 口 处 的 壁 厚 为 0.59~ 0.64mm,满足设计要求。横向试样可见明显的焊 缝区、热影响区和母材分界,焊缝区的显微组织为典 型的树状晶,热影响区和母材的显微组织为均匀奥 氏体,母材平均晶粒度为9.0级,焊缝热影响区平均 晶粒度为7.5级(见图10),均满足技术要求。波纹 管与两端连接圈间的焊接接头微观形貌如图11所示,由图11可知:靠近裂纹一端的外层波纹管与连 接圈之间焊接良好,而内层波纹管与连接圈之间的 焊接接头未熔合,存在焊接缺陷;相对裂纹的另一端 内、外层波纹管与连接圈之间的焊接接头均已熔合 并焊透,符合焊接工艺要求。

1.5 硬度测试 

在平衡式波纹管第一个波峰裂纹附近截取试样 横截面,进行镶嵌、打磨和抛光后,用显微硬度计测 试其硬度,结果如表2所示。依据技术要求,波纹管 材料经过固溶和时效热处理后的洛氏硬度应不小于 36HRC,母材、焊缝区和热影响区的硬度均满足技 术要求

2 综合分析

由上述试验结果可知,该管路补偿器平衡式波 纹管的化学成分、显微组织和硬度均符合技术要求。 从平衡式波纹管的宏观观察结果可知:裂纹位 于平衡式波纹管的第一个波峰,且穿过纵焊缝沿波 纹管周向延伸,裂纹与纵焊缝方向垂直,波纹管与两 端连接圈通过电子束焊方式连接,内层波纹管与连 接圈之间焊接接头未熔合,存在焊接缺陷。 从开裂波纹管的断口观察结果可知:裂纹源区 位于纵焊缝的热影响区,可见明显的疏松、夹杂等缺 陷,裂纹扩展区有典型的疲劳条带及二次裂纹,裂纹 的最后人工撕裂区呈韧窝特征,因此可以判断平衡 式波纹管的开裂性质为疲劳开裂。根据能谱分析和 金相检验结果,可以判断裂纹源区附近的夹杂物为 B类氧化铝夹杂物,属于脆性化合物相。 综上所述,管路补偿器平衡式波纹管的开裂性 质为疲劳开裂,其开裂原因有两个方面:一是平衡式 波纹管靠近裂纹一端的内层波纹管与连接圈之间焊 接接头未熔合,存在焊接缺陷,在正常条件下,双层 波纹管的夹层应处于真空状态,由于存在焊接缺陷, 内部气体进入双层波纹管的夹层,使外层波纹管受 到内部气体的附加压力作用;二是裂纹源区存在疏 松和 B类氧化铝脆性夹杂物等缺陷,降低了材料的 抗疲劳性能,裂纹源区位于波纹管内表面纵焊缝的 热影响区附近,由于焊接接头的粗晶热影响区是接 头的薄弱部位[8],源区附近又存在疏松、夹杂等缺 陷,破坏了波纹管基体组织的连续性,在内部气体压 力的作用下,产生应力集中,基体与夹杂物之间界面 分离,产生微孔,在波纹管轴向拉应力的作用下,微 孔和疏松不断长大、聚合,形成了裂纹。在内部气体压力和振动试验循环应力的共同作用下,裂纹不断 向外表面和沿周向两侧扩展,最终导致波纹管开裂。

3 结语及建议

该管路补偿器平衡式波纹管的开裂性质为疲劳 开裂。建议严格控制波纹管与连接圈之间的焊接工 艺及波纹管所用原材料质量,并在管路补偿器平衡 式波纹管成型后,对波纹管与连接圈之间的焊接接 头进行无损检测,以避免焊接接头存在未熔合等焊 接缺陷。

来源：材料与测试网