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)

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0.60 mm，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1 h功能振动和2 h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。

图1 平衡式波纹管宏观形貌及裂纹位置

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11 mm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。

图2 裂纹宏观形貌

图3 裂纹端焊接接头位置示意及其宏观形貌

1.2 断口分析

采用Zeiss EVO18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)。

图4 开裂波纹管断口SEM形貌

图5 裂纹源区Ⅰ的SEM形貌

图6 裂纹源区Ⅱ的SEM形貌

图7 裂纹扩展区SEM形貌

图8 人工撕裂区SEM形貌

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。

表1 波纹管材料化学成分分析结果 %

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0.59～0.64 mm，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。

图9 纵向试样抛光态微观形貌

图10 横向试样显微组织

图11 波纹管与两端连接圈间的焊接接头微观形貌

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36 HRC，母材、焊缝区和热影响区的硬度均满足技术要求。

表2 波纹管第一个波峰裂纹附近硬度测试结果

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。