铆钉头

紧固件

铆钉头作为一类最为常见的紧固件，其连接方式具有工艺简单、抗震、耐冲击、传力均匀、牢固可靠等优点，被广泛在机械构件上所使用。铆钉头的断裂性质属于微动疲劳; 涡轮结构明显存在被铆接件较薄、且硬度远高于铆钉的设计缺陷; 铆钉头脱落的主要原因可能与涡轮结构设计不合理及选材不当有关。采用优化涡轮结构、选取抗疲劳强度更佳的铆钉等措施可以预防类似故障再次发生。

涡轮结构

断裂铆钉的涡轮主要由涡轮叶轮、轮箍、铆钉、测速装置 4 部分组成，涡轮叶轮与轮箍通过 35 个铆钉铆接在一起，使相邻两叶片间形成腔体，成为空气流入、流出的通道。工作时高温、高压空气从涡轮外径边缘，沿叶片导向流入，推动涡轮压缩空气做功，使空气温度和压力降低，径向流出涡轮，通过管道等部件输送到飞机需要冷气的各个部位。涡轮叶轮由机械加工制成，材料为 2A70 铝合金，T6 状态; 轮箍由 GH4169 高温合金钣金冲压成型，时效处理，厚度 0． 3 mm; 铆钉为采购的标准件，材料为 2A01 铝合金，T4 状态; 测速装置由机械加工制成，材料为 1Cr18Ni9不锈钢，固溶状态。

试验过程

无损检测

拆下涡轮对未发生断裂的铆钉进行荧光检测，发现有8 根铆钉在铆钉头与铆钉杆相接的转角 R处存在裂纹( 与断裂位置相吻合) 。拆下新加工、铆接好的涡轮( 未装配到涡轮冷却器上工作过) 铆钉进行荧光检测，未发现铆钉有裂纹存在。

断口检查

断裂铆钉断口附近无明显的塑性变形，断口较平坦，裂纹由两侧起裂，向心部扩展。一侧扩展区域较大，另一侧扩展区域较小，基本无瞬时破断区。断裂源区有摩擦痕迹，未见初始裂纹痕迹及夹杂等缺陷形貌存在; 断裂源区附近侧表面有明显的机械摩擦损伤痕迹。扩展区呈羽毛状花样形貌，有明显的疲劳台阶和疲劳条带形貌存在。

对荧光检测出有裂纹的铆钉人工打断，观察裂纹断口与人工断口形貌。裂纹断口形貌与断裂铆钉断口形貌相同，存在明显的疲劳断口特征( 疲劳条带)。对拆下已经过荧光检测，未发现有裂纹缺陷的新加工、铆接好的涡轮铆钉( 未装配到涡轮冷却器上工作过) ，进一步在扫描电子显微镜下对其铆接变形 R角处进行检查。R角处只留下了变形产生的滑移带形貌，未发现铆接成型缺陷。

金相组织与化学成分

对断裂铆钉进行金相组织检查，金相组织正常，未见过烧现象。

对断裂铆钉进行化学成分分析，其结果符合 GB /T 3190—2008 规定的2A01 铝合金的化学成分要求。

改进措施

1)改用抗疲劳性能更高的铝合金铆钉，如2A11 铝合金铆钉;

2)在满足或允许条件下，不使用铆接结构，可尝试铸造整体叶轮;

3)在满足或允许条件下，增加轮箍厚度，并更换硬度与铝铆钉硬度更为匹配的材料，如固溶态的1Cr18Ni9 类的不锈钢材料。

修复工艺

（1）铆钉头堆焊前的清理①堆焊前铆钉头表面磨擦面要清理干净，摩擦附着层要打磨掉，并测量复环厚度。②将打磨后的叶片铆钉头表面用放大镜宏观检查是否有缺陷。③实际施焊之前，焊工、加热回火人员应进行焊前练习，在材质为1Cr13钢的叶片上钻一些深3mm、φ12mm盲孔，焊工练习时应在盲孔上堆焊，孔既要焊满又不能和孔壁焊在一起，目的是保证现场焊接时不将铆钉头和围带焊在一起，以保证堆焊后机组的安全运行。练习合格后，方可施焊。④正式捻铆施工前，需在堆焊试样上进行试捻铆。捻铆后宏观检查应无表面裂纹缺陷，试铆合格后，方可进行铆钉头现场实际铆接。

（2）堆焊工艺①焊接方法选用全氩弧焊接。②焊接电源选用逆变焊机，用直流正接。③焊接电流选用40～50A，在保证焊接的情况下尽可能选用较小的电流。焊接工件接线应在本级叶轮上，连接需良好，严禁接线不良而打火。④焊接前用丙酮对铆钉头进行清洗。⑤预热采用火焰加热的方法，预热温度250～300℃，预热采用小号火焊把低火焰对叶片铆钉头部进行缓慢加热，加热时采用远红外测温仪进行测温。⑥焊丝在使用前将焊丝表面的油、锈清理干净，在铆钉头一侧放置一块与铆钉头材质相同的引弧板，其高度与铆钉头相平齐。⑦在引弧板上引弧。为保证堆焊成形好，堆焊时采用短弧焊，周向运弧，焊接电弧应稳定，控制堆焊层形状，收弧时电弧逐渐移到引弧板熄弧，堆焊厚度为2mm左右，堆焊金属与母材应圆滑，堆焊过程分为多层焊接，层与层之间温度控制在200℃左右，焊接时尽可能不与复环焊在一起。⑧铆钉头堆焊完毕后用石棉保温缓冷到室温。

（3）焊后热处理①堆焊完铆钉头用石棉保温缓冷到室温后，进行焊后回火热处理，回火采用小号火焊把火焰加热，小的热能率，中性火焰加热，加热范围包括焊缝和焊缝的热影响区。②回火温度为700～720℃，恒温5min后空冷。加热时升温速度要缓慢，回火最高加热温度应严格控制，严禁超温。

（4）质量检查①堆焊铆钉头修复后进行焊缝表面硬度检查，硬度合格。②堆焊完成后，将铆钉头堆焊层表面用砂纸打磨呈现金属光泽，对堆焊铆钉头表面进行着色无损检测，合格。

制作过程

（1）捻铆前将热处理完毕的铆头加热至700～720℃，使用红外线测温仪测温。

（2）加热至温度范围后立即用1.5磅（0.68kg）重的手锤进行捻铆。

（3）每个铆钉头捻铆时首先捻铆轴向两面，然后再铆切向两面。

（4）每一组应首先捻铆两端叶片，然后由中间向两端铆。以保证铆接时围带可自由延伸。

（5）每个面的铆接锤击次数不宜过多，以免冷作硬化。每面一般不要超过2～3锤。

（6）捻铆后的铆头，应能把围带装铆钉头的孔覆盖住，铆头表面至围带表面平滑过渡。

（7）捻铆完毕用放大镜宏观检查，无裂纹。有裂纹时应磨除裂纹重新补焊。

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