航空管路補償器平衡式波紋管開裂原因

郭河苗

(太原航空儀表有限公司, 太原 030006)

航空管路補償器是飛機高壓管理系統的柔性連接和位移補償部件，一般由一個或幾個波紋管及結構件組成，主要用于補償熱脹冷縮、振動、機械位移、安裝誤差等原因引起的管路和設備尺寸變化，以消除管路系統的應力，確保管路系統的安全[1]。管路補償器的核心補償元件為金屬波紋管，而波紋管在服役過程中會受到振動、工作載荷、腐蝕等各種外力和環境作用，導致波紋管破壞，因此波紋管的耐久振動壽命和位移疲勞壽命直接影響到管路補償器的使用壽命。金屬波紋管的失效形式通常包括疲勞開裂、應力腐蝕和過載斷裂等[2-7]。

某型號航空管路補償器由雙層波紋管組件構成，其平衡式波紋管宏觀形貌如圖1a)所示，波紋管材料牌號為GH4169，單層壁厚約為0.60 mm，由卷管、焊接、固溶、校圓、液壓成型、整體時效、氣檢等工序加工而成。管路補償器在完成y向1 h功能振動和2 h耐久振動試驗后發生泄漏，經氣密性檢驗發現，泄漏部位為其平衡式波紋管的第一個波峰處，經觀察發現泄漏部位有一條肉眼可見的裂紋，裂紋沿波紋管周向延伸[見圖1b)]，在振動試驗過程中，管路補償器平衡式波紋管內部加載2.0 MPa的壓力。為了找出該管路補償器平衡式波紋管開裂的原因，筆者對其進行了一系列的理化檢驗和分析，并對波紋管與兩側連接圈焊接接頭的質量控制提出了建議，以避免該類問題再次發生。

圖1 平衡式波紋管宏觀形貌及裂紋位置

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

用體式顯微鏡觀察泄漏位置，發現平衡式波紋管第一個波峰外層有一條長約11 mm的直線型裂紋，裂紋穿過縱焊縫沿波紋管周向延伸，并與縱焊縫方向垂直(見圖2)。將波紋管用線切割方式剖開后，對裂紋周圍進行觀察，發現波紋管與兩端連接圈通過電子束焊方式連接，平衡式波紋管靠近裂紋一端處只有外層波紋管與連接圈之間完成焊接，而內層波紋管與連接圈之間未完成焊接，焊接接頭未熔合，存在焊接缺陷(見圖3)，與裂紋端相對另一端的內、外層波紋管與連接圈之間焊接良好，未發現焊接缺陷。

圖2 裂紋宏觀形貌

圖3 裂紋端焊接接頭位置示意及其宏觀形貌

1.2 斷口分析

采用Zeiss EVO18型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察波紋管斷口,結果如圖4所示，斷口上可見從內表面起始的疲勞臺階和向外輻射的放射狀條紋，可以確定裂紋起源于波紋管的內表面，呈多源特征。裂紋從波紋管內表面向外表面和沿周向兩側擴展，已形成穿透性裂紋，且裂紋源區位于縱焊縫的兩個熱影響區附近，可見明顯的疏松、夾雜等表面缺陷，裂紋起源于缺陷的根部(見圖5,6)。裂紋擴展區可見典型的疲勞條帶及二次裂紋(見圖7)，無明顯的瞬斷區。裂紋的最后人工撕裂區呈韌窩特征(見圖8)。

圖4 開裂波紋管斷口SEM形貌

圖5 裂紋源區Ⅰ的SEM形貌

圖6 裂紋源區Ⅱ的SEM形貌

圖7 裂紋擴展區SEM形貌

圖8 人工撕裂區SEM形貌

用無水乙醇對斷口進行超聲清洗后，采用能譜分析儀(EDS)對裂紋源區附近的夾雜物進行分析，結果顯示除基體元素和合金元素外，碳、氧、鋁元素含量異常偏高，其質量分數分別達到38.70%，22.84%，16.41%，未見腐蝕性元素，初步判斷裂紋源區的夾雜物為氧化鋁夾雜物。

1.3 化學成分分析

采用碳硫分析儀和X射線熒光光譜儀分析管路補償器平衡式波紋管材料的化學成分，結果如表1所示。由表1可知：元素含量均符合技術要求。

表1 波紋管材料化學成分分析結果 %

1.4 金相檢驗

在平衡式波紋管裂紋的斷口處及波紋管兩端與連接圈的焊接接頭處分別截取橫向和縱向試樣，用光學顯微鏡對試樣進行觀察。斷口處的縱向試樣拋光態表面存在明顯可見的B類非金屬夾雜物(見圖9)，試樣經腐蝕后觀察，斷口處的壁厚為0.59～0.64 mm，滿足設計要求。橫向試樣可見明顯的焊縫區、熱影響區和母材分界，焊縫區的顯微組織為典型的樹狀晶，熱影響區和母材的顯微組織為均勻奧氏體，母材平均晶粒度為9.0級，焊縫熱影響區平均晶粒度為7.5級(見圖10)，均滿足技術要求。波紋管與兩端連接圈間的焊接接頭微觀形貌如圖11所示，由圖11可知：靠近裂紋一端的外層波紋管與連接圈之間焊接良好，而內層波紋管與連接圈之間的焊接接頭未熔合，存在焊接缺陷；相對裂紋的另一端內、外層波紋管與連接圈之間的焊接接頭均已熔合并焊透，符合焊接工藝要求。

圖9 縱向試樣拋光態微觀形貌

圖10 橫向試樣顯微組織

圖11 波紋管與兩端連接圈間的焊接接頭微觀形貌

1.5 硬度測試

在平衡式波紋管第一個波峰裂紋附近截取試樣橫截面，進行鑲嵌、打磨和拋光后，用顯微硬度計測試其硬度，結果如表2所示。依據技術要求，波紋管材料經過固溶和時效熱處理后的洛氏硬度應不小于36 HRC，母材、焊縫區和熱影響區的硬度均滿足技術要求。

表2 波紋管第一個波峰裂紋附近硬度測試結果

2 綜合分析

由上述試驗結果可知，該管路補償器平衡式波紋管的化學成分、顯微組織和硬度均符合技術要求。

從平衡式波紋管的宏觀觀察結果可知：裂紋位于平衡式波紋管的第一個波峰，且穿過縱焊縫沿波紋管周向延伸，裂紋與縱焊縫方向垂直，波紋管與兩端連接圈通過電子束焊方式連接，內層波紋管與連接圈之間焊接接頭未熔合，存在焊接缺陷。

從開裂波紋管的斷口觀察結果可知：裂紋源區位于縱焊縫的熱影響區，可見明顯的疏松、夾雜等缺陷，裂紋擴展區有典型的疲勞條帶及二次裂紋，裂紋的最后人工撕裂區呈韌窩特征，因此可以判斷平衡式波紋管的開裂性質為疲勞開裂。根據能譜分析和金相檢驗結果，可以判斷裂紋源區附近的夾雜物為B類氧化鋁夾雜物，屬于脆性化合物相。

綜上所述，管路補償器平衡式波紋管的開裂性質為疲勞開裂，其開裂原因有兩個方面：一是平衡式波紋管靠近裂紋一端的內層波紋管與連接圈之間焊接接頭未熔合，存在焊接缺陷，在正常條件下，雙層波紋管的夾層應處于真空狀態，由于存在焊接缺陷，內部氣體進入雙層波紋管的夾層，使外層波紋管受到內部氣體的附加壓力作用;二是裂紋源區存在疏松和B類氧化鋁脆性夾雜物等缺陷，降低了材料的抗疲勞性能,裂紋源區位于波紋管內表面縱焊縫的熱影響區附近，由于焊接接頭的粗晶熱影響區是接頭的薄弱部位[8]，源區附近又存在疏松、夾雜等缺陷，破壞了波紋管基體組織的連續性，在內部氣體壓力的作用下，產生應力集中，基體與夾雜物之間界面分離，產生微孔，在波紋管軸向拉應力的作用下，微孔和疏松不斷長大、聚合，形成了裂紋。在內部氣體壓力和振動試驗循環應力的共同作用下，裂紋不斷向外表面和沿周向兩側擴展，最終導致波紋管開裂。

3 結語及建議

該管路補償器平衡式波紋管的開裂性質為疲勞開裂。建議嚴格控制波紋管與連接圈之間的焊接工藝及波紋管所用原材料質量，并在管路補償器平衡式波紋管成型后，對波紋管與連接圈之間的焊接接頭進行無損檢測，以避免焊接接頭存在未熔合等焊接缺陷。