鉚釘頭

鉚釘頭

鉚釘頭作為一類最為常見的緊固件,其連線方式具有工藝簡單、抗震、耐衝擊、傳力均勻、牢固可靠等優點,被廣泛在機械構件上所使用。鉚釘頭的斷裂性質屬於微動疲勞; 渦輪結構明顯存在被鉚接件較薄、且硬度遠高於鉚釘的設計缺陷; 鉚釘頭脫落的主要原因可能與渦輪結構設計不合理及選材不當有關。採用最佳化渦輪結構、選取抗疲勞強度更佳的鉚釘等措施可以預防類似故障再次發生。

鉚釘頭渦輪結構

斷裂鉚釘的渦輪主要由渦輪葉輪、輪箍、鉚釘、測速裝置 4 部分組成,渦輪葉輪與輪箍通過 35 個鉚釘鉚接在一起,使相鄰兩葉片間形成腔體,成為空氣流入、流出的通道。工作時高溫、高壓空氣從渦輪外徑邊緣,沿葉片導向流入,推動渦輪壓縮空氣做功,使空氣溫度和壓力降低,徑向流出渦輪,通過管道等部件輸送到飛機需要冷氣的各個部位。渦輪葉輪由機械加工製成,材料為 2A70 鋁合金,T6 狀態; 輪箍由 GH4169 高溫合金鈑金衝壓成型,時效處理,厚度 0. 3 mm; 鉚釘為採購的標準件,材料為 2A01 鋁合金,T4 狀態; 測速裝置由機械加工製成,材料為 1Cr18Ni9不鏽鋼,固溶狀態。

鉚釘頭脫落試驗過程

無損檢測

拆下渦輪對未發生斷裂的鉚釘進行螢光檢測,發現有8 根鉚釘在鉚釘頭與鉚釘桿相接的轉角 R處存在裂紋( 與斷裂位置相吻合) 。拆下新加工、鉚接好的渦輪( 未裝配到渦輪冷卻器上工作過) 鉚釘進行螢光檢測,未發現鉚釘有裂紋存在。

斷口檢查

斷裂鉚釘斷口附近無明顯的塑性變形,斷口較平坦,裂紋由兩側起裂,向心部擴展。一側擴展區域較大,另一側擴展區域較小,基本無瞬時破斷區。斷裂源區有摩擦痕跡,未見初始裂紋痕跡及夾雜等缺陷形貌存在; 斷裂源區附近側表面有明顯的機械摩擦損傷痕跡。擴展區呈羽毛狀花樣形貌,有明顯的疲勞台階和疲勞條帶形貌存在。

對螢光檢測出有裂紋的鉚釘人工打斷,觀察裂紋斷口與人工斷口形貌。裂紋斷口形貌與斷裂鉚釘斷口形貌相同,存在明顯的疲勞斷口特徵( 疲勞條帶)。對拆下已經過螢光檢測,未發現有裂紋缺陷的新加工、鉚接好的渦輪鉚釘( 未裝配到渦輪冷卻器上工作過) ,進一步在掃描電子顯微鏡下對其鉚接變形 R角處進行檢查。R角處只留下了變形產生的滑移帶形貌,未發現鉚接成型缺陷。

金相組織與化學成分

對斷裂鉚釘進行金相組織檢查,金相組織正常,未見過燒現象。

對斷裂鉚釘進行化學成分分析,其結果符合 GB /T 3190—2008 規定的2A01 鋁合金的化學成分要求。

防止鉚釘頭脫落改進措施

1)改用抗疲勞性能更高的鋁合金鉚釘,如2A11 鋁合金鉚釘;

2)在滿足或允許條件下,不使用鉚接結構,可嘗試鑄造整體葉輪;

3)在滿足或允許條件下,增加輪箍厚度,並更換硬度與鋁鉚釘硬度更為匹配的材料,如固溶態的1Cr18Ni9 類的不鏽鋼材料。

鉚釘頭焊接修復工藝

(1)鉚釘頭堆焊前的清理①堆焊前鉚釘頭表面磨擦面要清理乾淨,摩擦附著層要打磨掉,並測量復環厚度。②將打磨後的葉片鉚釘頭表面用放大鏡巨觀檢查是否有缺陷。③實際施焊之前,焊工、加熱回火人員應進行焊前練習,在材質為1Cr13鋼的葉片上鑽一些深3mm、 φ12mm盲孔,焊工練習時應在盲孔上堆焊,孔既要焊滿又不能和孔壁焊在一起,目的是保證現場焊接時不將鉚釘頭和圍帶焊在一起,以保證堆焊後機組的安全運行。練習合格後,方可施焊。④正式捻鉚施工前,需在堆焊試樣上進行試捻鉚。捻鉚後巨觀檢查應無表面裂紋缺陷,試鉚合格後,方可進行鉚釘頭現場實際鉚接。

(2)堆焊工藝①焊接方法選用全氬弧焊接。②焊接電源選用逆變焊機,用直流正接。③焊接電流選用40~50A,在保證焊接的情況下儘可能選用較小的電流。焊接工件接線應在本級葉輪上,連線需良好,嚴禁接線不良而打火。④焊接前用丙酮對鉚釘頭進行清洗。⑤預熱採用火焰加熱的方法,預熱溫度250~300℃,預熱採用小號火焊把低火焰對葉片鉚釘頭部進行緩慢加熱,加熱時採用遠紅外測溫儀進行測溫。⑥焊絲在使用前將焊絲表面的油、銹清理乾淨,在鉚釘頭一側放置一塊與鉚釘頭材質相同的引弧板,其高度與鉚釘頭相平齊。⑦在引弧板上引弧。為保證堆焊成形好,堆焊時採用短弧焊,周向運弧,焊接電弧應穩定,控制堆焊層形狀,收弧時電弧逐漸移到引弧板熄弧,堆焊厚度為2mm左右,堆焊金屬與母材應圓滑,堆焊過程分為多層焊接,層與層之間溫度控制在200℃左右,焊接時儘可能不與復環焊在一起。⑧鉚釘頭堆焊完畢後用石棉保溫緩冷到室溫。

(3)焊後熱處理①堆焊完鉚釘頭用石棉保溫緩冷到室溫後,進行焊後回火熱處理,回火採用小號火焊把火焰加熱,小的熱能率,中性火焰加熱,加熱範圍包括焊縫和焊縫的熱影響區。②回火溫度為700~720℃,恆溫5min後空冷。加熱時升溫速度要緩慢,回火最高加熱溫度應嚴格控制,嚴禁超溫。

(4)質量檢查①堆焊鉚釘頭修復後進行焊縫表面硬度檢查,硬度合格。②堆焊完成後,將鉚釘頭堆焊層表面用砂紙打磨呈現金屬光澤,對堆焊鉚釘頭表面進行著色無損檢測,合格。

鉚釘頭補焊後捻鉚工藝

(1)捻鉚前將熱處理完畢的鉚頭加熱至700~720℃,使用紅外線測溫儀測溫。

(2)加熱至溫度範圍後立即用1.5磅(0.68kg)重的手錘進行捻鉚。

(3)每個鉚釘頭捻鉚時首先捻鉚軸向兩面,然後再鉚切向兩面。

(4)每一組應首先捻鉚兩端葉片,然後由中間向兩端鉚。以保證鉚接時圍帶可自由延伸。

(5)每個面的鉚接錘擊次數不宜過多,以免冷作硬化。每面一般不要超過2~3錘。

(6)捻鉚後的鉚頭,應能把圍帶裝鉚釘頭的孔覆蓋住,鉚頭表面至圍帶表面平滑過渡。

(7)捻鉚完畢用放大鏡巨觀檢查,無裂紋。有裂紋時應磨除裂紋重新補焊。

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