焊接缺陷对机匣可靠性的影响

庞学佳，李宏伟，邹献辉

（中国船舶重工集团公司第七○三研究所，黑龙江哈尔滨 150078）

0 引言

发动机机匣是承力系统的主要构件，其受力情况复杂多样。由于结构及工艺水平的限制，机匣大多采用分段焊接而成。某机压气机机匣为对开式，分别由多段筒体、纵向安装法兰和中分法兰焊接而成。在生产过程中，压气机机匣焊后经检测焊缝存在超出标准允许的链状气孔，该零件是否可以用于装机?对含有链状气孔的焊接机匣的计算模型如何简化分析?本文通过设计与加工制造相结合，先对气孔进行简化建模，然后利用有限元分析软件对该机匣简化模型进行强度计算分析，最终确定焊接缺陷对机匣可靠性的影响。

1 焊接链状气孔检测

为确定焊接缺陷分布及具体形貌，以便进行针对性的分析计算，对此机匣焊缝进行了多种方法的检测。检验分3步:①X射线照相检测确定电子束焊焊缝存在链状气孔——不符合质量标准要求;②对焊缝进行了荧光检测，焊缝表面未发现超标气孔，上述2种检测方法的结果说明，该链状气孔存在于焊缝的内部;③进行工业CT（计算机辅助层析成像技术）检测，确定气孔的尺寸大小和分布位置。

由于每种检测方法都有其特点和局限性。X射线照相检测的特点是检测灵敏度高，但由于其将立体的物体投影到平面上，因此无法给出缺陷在焊缝厚度方向的信息。而工业CT检测，可以给出工件任何一个截面的质量信息。但由于受工件尺寸及重量的限制，检测的灵敏度无法达到X射线照相检测的水平，也正是由于检测特点的不同，造成检测结果存在差异。为了准确判断缺陷在焊缝厚度方向的分布情况，对2种检测结果进行了比对，最终确认，2条焊缝内的链状气孔分布在焊缝内部，距离内外表面1 mm的范围内，在厚度方向呈离散分布——压气机机匣气密性不存在问题，需要对存在链状气孔的压气机机匣的强度做出评定。

2 有限元分析

采用结构设计软件PRO/E对压气机机匣建立三维简化模型，利用有限元计算分析程序Ansys对简化模型进行计算分析。

2.1 计算模型

压气机机匣的结构可以看成是一个由一基本“扇区”段沿周向重复若干次而成的结构，而且压气机机匣的载荷及边界条件也具有同样的重复性。所以采用循环对称应力分析方法进行分析，取1/200份进行计算，计算简图如图1所示。

图1 计算模型Fig．1Calculation model

2.2 边界条件及网格划分

根据计算得到的力分别在有限元模型以下部位施加边界条件和载荷。

1）在柱坐标系下，计算模型的后端面的节点约束轴向和周向;

2）在柱坐标系下，计算模型的前端力;

3）柱坐标系下，计算模型的前端面的节点在平均施加轴向的拉力;

4）计算模型的内壁，施加内腔压力。

网格划分运用实体单元186类型对模型进行四面体网格划分。6个气孔用0.1 mm的元素大小，其余使用3 mm元素大小进行网格划分。网格划分情况见图2。

图2 计算模型孔周围的网格划分Fig．2The mesh around hole of computational model

2.3 计算参数

压气机机匣如图3所示，其承担的载荷包括经由前轴承座、导流支柱传递过来的涡轮－压气机转子轴向力F1，滑油腔受力F2，涡轮转子轴向力F3向前为正。综上得出压气机机匣焊缝前所承受的轴向力为F，方向朝压气机进气方向;叶片排所受的扭矩为M1;整个压气机所受到的由燃机质量引起的弯矩为M2;计算位置机匣所受压力P1，计算位置机匣温度T1。本计算分析中采用的材料牌号为1Cr12Ni3MoVN，该材料性能见文献［1］。

图3 压气机机匣Fig．3Compressor casing

2.4 计算结果及分析

根据载荷类型的不同，分别对模型进行4组计算，确定不同类型的载荷对计算结果的影响。结果见图4～图7。

设计状态下，压气机机匣计算对应的最大应力为42.4 MPa，每个气孔的最大应力相近，最大应力位于气孔边缘，除气孔周围2倍直径区域外，其他应力在20.6 MPa左右，可见气孔处的最大应力是其他部分的2倍多（见表1）。材料1Cr12Ni3MoVN的σb=965 MPa，可以得出相应的安全系数为22.7，存在气孔缺陷的该低压压气机机匣在静强度方面有足够的安全储备。

3 结语

由于存在类似于以上假设的气孔的情况下，气孔对周围2倍直径区域存在影响，各电子束焊焊缝气孔周围应力将相应放大到原来的2倍。

综上，在确定存在焊接缺陷的零件是否可以使用时，以上计算系数可作为量化的指导值，对于从设计到实际的加工制造都具有指导意义。为进行相关机匣设计、电子束焊焊接制造提供了量化的判定依据。

［1］陈家芝，刘铁．工程材料实用手册（第一卷）:结构钢、不锈钢［M］．北京:中国标准出版社，2001．

［2］胡海岩．机械振动与冲击［M］．北京:航空工业出版社，1998．

［3］航空发动机设计手册总编委会．航空发动机设计手册（第18册）［M］．北京:航空工业出版社，2000．

［4］中国机械工程协会焊接分会．焊接手册:焊接方法与设备（第二版）［M］．北京:机械工业出版社，2001．

［5］陈仲波．球罐焊缝缺陷与焊接残余应力的数值模拟［D］．福州:福州大学，2006．

［6］章应霖，游敏．焊接结构工程［M］．北京:中国电力出版社，1995．