飞机主减撑杆焊接失效分析

宋奇慧

（黑龙江农业工程职业学院机械工程学院，黑龙江哈尔滨150088）

飞机主减撑杆焊接失效分析

宋奇慧

（黑龙江农业工程职业学院机械工程学院，黑龙江哈尔滨150088）

主减撑杆是飞机上的重要零件，目前主要采用15CrMnMoV钢制造。焊接时采用国内研制的H15CrMnMoV焊丝，采用钨极氩弧焊进行焊接，但部分零件在焊后产生裂纹，不能满足生产的实际要求。分析产品的裂纹，原因是氩气超标产生氢致裂纹。对15CrMnMoV钢的焊接裂纹进行失效分析，分析表明氩气水分超标是产生裂纹的关键因素。

可焊性；裂纹；失效分析

0 前言

某型直升机的主减撑杆、水平骨架、支撑座、后舱门抛放轴、起落架滑橇等均采用15CrMnMoV钢制造。采用国内研制的H15CrMnMoV焊丝和钨极氩弧焊进行焊接，焊前15CrMnMoV钢多为调质状态，进行1～2 mm厚的结构件焊接。其中主减撑杆在某次小批量焊接时，焊后发现多根产生裂纹[1]，主减撑杆是直升机上的关键部件，共4根成一定角度对称固定在主减速器和中央桨毂之间，用于连接机身和发动机主减速器，承受很大的静载荷和疲劳载荷[2]，如果有一根出现问题就会造成机毁人亡的事故。为此曾先后加工共两批主减撑杆，多根发现在焊缝热影响区处有微裂纹。为保证生产进度，必须进行裂纹分析和试验，找出裂纹原因，解决这一问题。

1 试样制备和试验方法

零件的生产工艺为：叉耳接头机加成型→磁力探伤→叉耳接头热处理→磁力探伤→叉耳接头与杆体焊接→磁力探伤→X光→组件机加镗孔→磁力探伤→组件表面镀镉→磁力探伤。主减撑杆由调质状态的杆体（直径φ40 mm、壁厚1 mm的法国产15CDV6钢管）和热处理调质后的叉耳接头（由15CrMnMoVA钢棒机加而成）组焊而成，见图1。

图1 主减撑杆Fig.1Welding of stay bar

2 试验结果和分析

观察带裂纹的焊件表面，发现表面有暗灰色的氧化皮，焊缝成形较好，焊道鱼鳞纹均匀，裂纹均发生在叉耳的焊缝热影响区一侧，距焊缝熔合线0.5～

1.5mm，裂纹呈微小、断续的特征。为进一步验证裂纹性质、查明裂纹原因，又加工了19件进行试验。选用热处理硬度HBS40～HBS350的叉耳，各工序按人、机、料、法、环的要求严格控制，操作人员是具有三级航焊证的经验丰富的焊工，焊机是规定的美国米勒公司TR-250HF焊机，焊接工作间温度23℃，湿度39％，符合工作间温度不低于16℃，湿度小于90％的标准要求；焊前零件与焊丝进行水力吹砂并烘干，检查零件和焊丝表面无水迹、铁锈、油污等杂质；钳工仔细研合接头，并用清洁的布仔细擦拭零件内壁，焊工焊前用砂纸对焊丝H15CrMnMoVA进行打磨。在夹具上进行杆体和叉耳接头的组件焊接，先进行定位焊，对称焊接四点，然后校形，校形后再在夹具上焊接，焊接时采用对称焊，转动管体焊接四分之一部分，再焊接反面的四分之一部分以减小焊接应力。焊接规范参数如表1所示。

表1 主减撑杆焊接工艺参数Tab.1Parameter of welding for stay bar

2.1 初步分析和试验

焊接时发现焊缝正面、背面的氩气保护流量必须大于规定值，否则保护不了熔池，零件表面会产生很强的氧化；焊接后磁力探伤又发现4件有裂纹。

2.2 外观检查

观察带裂纹试件的焊缝外表面，焊道成形较好，裂纹距熔合线约1 mm。截取有裂纹部位在扫描电镜下观察，裂纹的低倍形貌和高倍形貌如图2和图3所示。其扩展路径曲折而裂纹最宽处约5.5μm。

图2 叉耳裂纹扫描电镜低倍形貌Fig.2Low amplificatory figure of crack by scanner

图3 叉耳裂纹扫描电镜高倍形貌Fig.3High amplificatory figure of crack by scanner

观察垂直焊道和裂纹磨制金相试样，在表面和亚表面均有裂纹，深度约40 μm。

2.3 扫描电镜观察

打开零件焊道附近最长的微裂纹，将断口放入电镜内观察，断口低倍形貌如图4所示，断口基本上分为两个区域。

图4 断口低倍形貌Fig.4Low magnification of the figure surface

Ⅰ区位于零件的外表面，为微裂纹部位，宽度约100 μm，断口颜色发暗。Ⅱ区为人工打开断口，颜色发亮。Ⅰ区放大后形貌如图5所示，可见该处为典型的沿晶断裂特征，晶面干净，未见腐蚀产物。

图5 断口上Ⅰ区的高倍形貌Fig.5High magnification of fracture of area

Ⅱ区放大后形貌如图6所示，该处为典型的韧窝断裂特征。

图6 断口上的韧窝形貌Fig.6Morphology of dimple of fracture surface

2.4 化学成分分析

原材料、焊丝化学成分分析结果如表2所示[3]。

表2 原材料及焊丝的化学成分Tab.2Chemic component of materials and rods ％

2.5 金相组织观察

母材经过焊接加热后，促使金属材料内部发生某种组织转变，显著影响母材的机械性能。

观察母材基体金相组织试样，为板条马氏体＋贝氏体组织（见图7），未见异常组织，夹杂物检查符合标准要求。

图7 母材金相组织Fig.7Metallographic structure of material

2.6 断口能谱分析

对原材料及焊丝进行能谱成分分析，结果见表3。分析部位形貌如图8所示，有的晶界存在一定的铜元素偏聚。

表3 能谱分析结果Tab.3Result of analysis for energy spectrum

2.7 氢含量测定

对叉耳和焊道及焊道两侧的热影响区取样进行氢含量测定，结果见表4，叉耳共取样4个，焊道及其两侧的热影响区共取样7个。

3 结论

扫描电镜的观察结果表明，裂纹为表面或亚表面裂纹，长度为几百微米不等，并扩展曲折时断时续，产生时间为焊后不立即出现，而是有一定的时间间隔，具有延迟特征，因此从裂纹产生的部位、时间和裂纹形态分析，该裂纹可以初步判定为冷裂纹

中的延迟裂纹[4]。母材及焊丝的化学分析结果表明原材料合格，排除了因原材料不合格而引起裂纹的因素。从焊缝的外观形态分析，焊缝波纹呈鱼鳞状，焊缝宽窄均匀，高度适中，无焊瘤、咬边等缺陷，可见焊工操作手法很好。氢含量的测定结果表明，焊道及热影响区的氢含量远高于母材，氢含量对强度级别不同的钢的影响结果不同，对抗拉强度达到1 800 MPa以上的钢，焊缝中（2～3）×10-6的氢就可以导致氢致裂纹，对抗拉强度1 080～1 280 MPa的 15CrMnMoV钢来说，（12～18）×10-6的氢含量足以导致裂纹产生，所以该裂纹是氢致裂纹。在焊接条件下，焊接材料中的水分，焊件坡口附近的油污、铁锈，保护气体中的水分，以及空气中的湿气都是焊缝金属中富氢的主要来源，在焊接过程中由于电弧的高温作用，氢分解成原子或离子（即质子）状态，并大量溶解于焊接熔池中。在随后冷却和凝固的过程中，由于溶解度的急剧下降，氢极力向外逸出，在冷却较快的焊接条件下，氢来不及逸出而残存在焊缝金属内部，使焊缝中的氢处于饱和状态，为氢致裂纹的产生提供了条件。

图8 断口Ⅰ区能谱分析部位形貌Fig.8Figure of energy spectrum for areaⅠ

表4 含氢量的测定（×10-6）Tab.4Determine of content for hydrogen

根据以上分析，结合试验中出现的氩气流量异常的情况，最后认定焊接用保护气体可能不纯，检测结果表明：氩气纯度未达到标准要求，其中水份严重超标，超37.7倍。显然超标的水份是导致焊缝产生氢致裂纹的关键因素。

焊接时氩弧焊的电弧弧柱会产生5 000℃的高温，氩气中的水份通过时产生分解，分解的氢溶解于高温的熔池中，由于焊缝金属的含碳量较低，焊缝在较高温度发生了相变，氢的溶解度突然降低，氢迅速从焊缝穿过熔合区向尚未发生奥氏体分解的热影响区扩散，而氢在奥氏体的扩散速度较小，来不及扩散到距离熔合区较远的母材，因此在熔合区附近形成了富氢地带。同时叉耳的热处理强度规定为1 080～1 280 MPa，杆体的热处理强度为980 MPa，叉耳的淬硬组织更多，淬硬组织硬而脆，其塑性和韧性差，松弛应力的能力差，加之马氏体组织的体积最大，氢成为马氏体组织间隙原子的几率最高，所以叉耳侧的热影响区氢含量最高，在应力、淬硬组织的共同作用下，在叉耳侧产生了氢致裂纹。

生产中又进行了换氩气焊接试验，氩气选用另一厂家的检验合格的氩气，仍按照原工艺流程和工艺参数进行加工，试样焊接后进行磁力探伤检验和X光检查，结果全部合格，证明了分析的正确性。

[1]中国航空材料手册编辑委员会.中国航空材料手册第一分册[M].北京：中国标准出版社，2002：75-76.

[2]李成功，傅恒志，于翘.航空航天材料[M].北京：国防工业出版社，2002：1-41.

[3]隆文庆.提高15CDV6低合金钢工艺性能的探讨[J].四川冶金，2001（03）：112-113.

[4]王国凡.材料成形与失效[M].北京：化学工业出版社，2002：18-20.

Failure analysis on welding crack of main reducing rod of aircraft

SONG Qihui
（Heilongjiang Agricultural Engineering Vocational College，Harbin 150088，China）

The main reducing rod is an important part of the aircraft,mainly produced by 15CrMnMoV steel.Welding is used in the domestic development of H15CrMnMoV welding wire，the use of tungsten argon arc welding，but some parts in the welding crack，can not meet the actual requirements of production.Analysis of cracking products，the reason is the hydrogen induced cracking of argon.Failure analysis ofweldingcrack of15CrMnMoVsteel，the analysis shows that the keyfactor ofthe crack is the excess ofargon gas.

weldability；crack；failure analysis

TG457.2

A

1001－2303（2016）09－0088-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.20

2015-06-09；

2016-08-28

国家自然科学基金资助项目（59493300）；教育部博士点基金资助项目(9800462)

宋奇慧（1975—），女，黑龙江人，副教授，硕士，主要从事材料成型的研究工作。