高温合金焊接接头疲劳损伤演化试验

公维勇 黄青松

（中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，辽宁 沈阳 110043）

0 引言

GH4169作为一种以体心四方的Ni3Nb和面心立方的Ni3（Al，Ti，Nb）相沉淀强化的镍基高温合金，在较高温度下具有屈服强度高、塑性好的特点，同时在常温下其焊接性也非常好，其广泛应用在航空发动机热端部件中。GH4169合金用于机匣类结构时，由于结构设计的要求，一般其安装边和安装座与筒体之间采用焊接结构，焊接结构的优点在于构造合理、制造工艺性较好和结构重量较轻等。电子束焊由于具有能量密度高、焊接变形小以及接头质量好等优点，被广泛应用在航空发动机关键部件的连接结构设计中，同时，电子束焊接过程对结构疲劳性能的影响也不能忽视。损伤是指由于零件存在微观缺陷，在外载荷和环境的作用下最终导致零件断裂或失效的过程。根据科学实验分析，由于实际零件材料内部中存在着一些微观缺陷（如疏松、夹杂、气孔等），而且材料在加工时也难免产生各种表面加工缺陷（如刀痕、毛刺、划伤等），在各种内部和外部缺陷的影响下，势必会导致零件工作过程中的疲劳损伤。该文将通过试验对GH4169焊接接头的疲劳性能进行研究，论文着重研究了焊接接头的疲劳损伤演化过程，分析了损伤演变与接头寿命的关系。

2 GH4169电子束焊接接头的疲劳试验

2.1 试样制备

试验采用GH4169高温合金板材，焊接要严格按照标准进行；焊后经X光检测；热处理消除残余应力；试件加工按照国标GB3075—82进行，试件表面不得有划伤、擦伤，不得沿横向加工。

2.2 试验过程

疲劳试验采用应力控制，试验在MTS公司809液压伺服材料疲劳试验机上完成，用夹式引伸计来测量应变，引伸计标距：25 mm，记录应变幅变化作为宏观损伤量计算依据。试验载荷为正弦波，应力比为0.1。由于试验为应力控制疲劳试验，考虑到试验成本的因素，可以在不导致试样温度上升的前提下选取较高的试验频率，该文中试验的频率为5 Hz～10 Hz。参考材料数据手册和以往氩弧焊GH4169焊接接头疲劳试验数据，该文进行4个载荷等级的疲劳试验，每个载荷等级不少于3件有效试样。

2.3 试验结果分析

该文分别进行了930 MPa、868 MPa、806 MPa、750 MPa载荷的疲劳试验，在给定的试验载荷范围内，GH4169电子束焊接接头的疲劳寿命在104～105次，在此范围内的疲劳寿命和应力在对数坐标系下存在线性关系，采用最小二乘法对数据进行拟合处理，得到GH4169焊接接头的应力—寿命的关系为

3 GH4169焊接接头损伤演化趋势

3.1 宏观损伤量的测量

疲劳过程中，焊接接头宏观损伤D用应变幅的变化来计算：

式中：Δε*为循环达到稳定时应变幅；Δε为宏观应变幅。

循环达到稳定时的过程可能有几十个或几百个循环，测出稳定后应变的峰值和谷值，得到初始稳定Δε*。然后每隔一定的循环，记录下应变的峰值和谷值，得到对应循环数下的Δε，从而计算得到宏观损伤量D。

根据上述方法计算循环寿命比N/Nf与损伤D的数值，得到同一载荷下试件的宏观损伤变量D的变化历程，图1为σ=806 Pa的损伤量的变化情况。

从图1损伤的演化趋势可以看出，GH4169焊接接头的疲劳过程可大体分为两个阶段：1）损伤缓慢发展阶段：在该阶段中焊接接头疲劳损伤发展较为缓慢，却大约占据了整个焊接接头疲劳寿命的90 %；2）损伤急剧增大阶段：当损伤达到一定循环后，疲劳损伤发展速度急剧增加，在焊接接头损伤达到一定临界值时，试件突然断裂，此阶段大约占据整个焊接接头疲劳寿命的10 %。所以，零件使用过程中要对焊接接头失效前的疲劳损伤发展过程给予足够重视。

3.2 不同载荷下GH4169焊接接头损伤演化方程

GH4169焊接接头也可采用如下疲劳损伤演化方程：

式中：D0为初始损伤，α1、β1为材料损伤参数，Dc为临界损伤（通过试验测定）。其中D0、α1、β1为待拟合参数，D为因变量，N/Nf为自变量。

图1 σ=806Pa的损伤演化趋势

以同一载荷水平下的1个试样为例，可拟合得到不同载荷损伤演化曲线，对不同载荷下的损伤演化曲线进行分析得出，当载荷较低时，损伤演变过程比较平缓，随着载荷的不断增大，损伤演变过程变得较为急剧。

4 结论

该文通过GH4169高温合金电子束焊接接头的疲劳试验，得到了GH4169电子束焊缝的S—N曲线和疲劳损伤演化曲线。

根据宏观损伤疲劳试验得到了GH4169电子束焊焊接接头在不同载荷下的宏观损伤演化过程，进而可确定不同载荷下的焊接接头的疲劳损伤演化方程。

焊接接头的损伤演化过程分析是建立在损伤力学的寿命评估方法的基础上，对于实际结构，将GH4169电子束焊焊接接头的损伤演化过程分析与有限元分析结合起来，可实现焊接零件的寿命预测，为工程应用提供一定帮助。