空調(diào)用電子膨脹閥應力腐蝕外漏原因分析

施清清，眭 敏,2，甘立榮，黃樹燕

(1.珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519070；2.華南師范大學，廣州 510000)

0 引言

電子膨脹閥作為空調(diào)器節(jié)流裝置[1]，制冷量調(diào)節(jié)范圍大，控制精度高，易與制冷空調(diào)設備控制結(jié)合提高系統(tǒng)能效，隨著其成本下降和節(jié)能需求下變頻空調(diào)的迅猛發(fā)展[2]，推廣應用日益廣泛。在應用中逐步發(fā)現(xiàn)腐蝕、泄漏、噪聲、卡死以及誤動作等幾類典型失效，其中腐蝕、泄漏占售后故障數(shù)量近80%，造成制冷劑流失而污染環(huán)境，由于其存在的廣泛性和隱蔽性，造成的損失和危害性尤為嚴重。

電子膨脹閥一般選用316L奧氏體不銹鋼，這種材料在石化行業(yè)中的應力腐蝕問題，國內(nèi)外的學者已展開廣泛深入的研究，并取得了許多研究成果，但對其在空調(diào)系統(tǒng)環(huán)境中的應力腐蝕研究，國內(nèi)外尚未見報道。空調(diào)安裝使用環(huán)境具有高溫、潮濕的特點，頻發(fā)應力腐蝕開裂故障，開展奧氏體不銹鋼在空調(diào)系統(tǒng)環(huán)境中的應力腐蝕開裂的研究具有重要的實際應用價值，為研究316L不銹鋼在空調(diào)環(huán)境中的應力腐蝕開裂積累試驗數(shù)據(jù)。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 外漏斷口宏觀觀察

對外漏閥充約0.3 MPa氣壓，發(fā)現(xiàn)泄漏處集中在閥體外殼激光環(huán)焊的融合線上沿0.2～0.5 mm位置，置于LEICA S8A P0型體視光學顯微鏡下觀察，可見垂直于焊縫的多處近平行裂紋，且偏向焊接移動方向(圖1)。

閥體裂紋外觀形態(tài)，符合不銹鋼熱影響區(qū)應力腐蝕開裂的顯著特點[3]：焊縫熱影響區(qū)裂紋細長密集，相互平行，且垂直于焊縫，裂紋從熔合線處向母材延伸并偏向焊接移動方向，裂紋走向與焊接縱向殘余拉應力方向基本垂直。

圖1 電子膨脹閥外漏位置示意Fig.1 Outside leakage position of electronic expansion valve

1.2 化學成分分析

對外漏閥體材質(zhì)取樣，使用碳硫分析儀、直讀光譜等進行化學成分測定，結(jié)果見表1?？梢?，結(jié)果符合GB/T 20878—2007[4]要求，原料材質(zhì)一致性問題可排除。

1.3 表面形貌及成分分析

將外漏的閥體經(jīng)超聲波清洗后，置于PH ILIPS XL-30型掃描電子顯微鏡下觀察，圖2是泄漏處內(nèi)、外表面微觀形態(tài)。

表1 外漏閥體化學成分分析結(jié)果 (質(zhì)量分數(shù) /%)Table 1 Chemical composition analysis result of outer leakage valve body (mass fraction /%)

圖2 外漏處腐蝕坑及裂紋Fig.2 Pits and cracks of outer leakage position

可見，泄漏處內(nèi)表面存在腐蝕坑、裂紋、析出物，且裂紋存在彎折分叉特性，裂紋多與腐蝕坑連接。對內(nèi)壁析出物(圖2a譜圖1位置)進行能譜分析，結(jié)果見圖3。結(jié)果分析：Al、Cu、K、Ca等元素含量偏高，原因可能來自配件存儲周轉(zhuǎn)環(huán)境，元素Cl的含量嚴重超出環(huán)境正常標準，為腐蝕析出的氯化物。

圖3 內(nèi)表面腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果Fig.3 EDS analysis result of corrosion products on inner surface

1.4 斷口微觀分析

將2件泄漏閥體在裂紋處打開，放入掃描電鏡中觀察斷口形貌，如圖4所示。圖5為圖4b中M處的局部放大圖像，圖6為圖5中腐蝕區(qū)域附近的局部放大圖像。

由圖4可觀察到宏觀扇形花樣特征，說明斷裂擴展[5]以閥體內(nèi)側(cè)(圖4b中M處、圖5中N處)為中心按扇形向各個方向擴展。從圖5明顯可見呈脆性斷裂形貌且存在二次裂紋，從圖6可見明顯的冰糖狀腐蝕特征，佐證了裂紋源于腐蝕。

1.5 金相組織分析

將焊縫含裂紋環(huán)切后，垂直于焊縫靠近裂紋沿徑向切開，切開后鑲樣、逐層磨拋、觀察直至可見裂紋，打磨拋光、草酸電解，之后在金相顯微鏡下觀察分析，結(jié)果如圖7所示。

清晰裂紋見于對焊(圖7a左側(cè)焊縫)熱影響區(qū)，人字形分叉顯示內(nèi)側(cè)萌源?；慕M織為奧氏體，含不同程度軋硬條紋。焊接熱影響區(qū)晶粒沒有明顯長大，有少量析出物，依GB/T 4334—2008[6]標定屬一類和二類之間，晶間腐蝕傾向弱。

圖4 斷口起始位置或區(qū)域Fig.4 Fracture initiation position

CorrosionregionN10μm圖5 圖4中M處的局部放大圖像Fig.5 PartialenlargementofMpositionoffig.410μm圖6 圖5中腐蝕區(qū)的局部放大圖像Fig.6 Partialenlargementofcorrosionregionoffig.5

圖7 焊接接頭金相組織Fig.7 Welded joint microstructure

2 失效機理分析

2.1 失效性質(zhì)界定

電子膨脹閥原料、組織、焊接質(zhì)量均符合相關(guān)國標。外漏裂紋宏觀形態(tài)符合熱影響區(qū)應力腐蝕開裂特點，泄漏處內(nèi)表面存在腐蝕坑、析出氯化物。人字形分叉確認內(nèi)側(cè)萌源。裂紋源為斷面扇形的近圓心點，存在冰糖狀腐蝕特征。電子膨脹閥的外漏失效性質(zhì)為活化環(huán)境下的應力腐蝕。

2.2 應力腐蝕機理

應力腐蝕開裂(SCC)是金屬構(gòu)件在靜應力和特定的腐蝕環(huán)境共同作用下的脆性斷裂，是一種危害嚴重的局部腐蝕[7]。對不銹鋼設備發(fā)生的腐蝕破壞事故進行估計，SCC高居榜首。應力腐蝕的條件有：1)試件承受的拉應力，甚至僅包含很小殘余應力，都可能引起；2)只有在特定的活性介質(zhì)中才能發(fā)生應力腐蝕開裂。[8]

本例電子膨脹閥工作時，內(nèi)部冷媒平衡壓力約為0.4～0.6 MPa，在薄壁閥筒體上產(chǎn)生平行于軸向的拉應力。該電子膨脹閥的內(nèi)壓0.5 MPa，直徑15.4 mm，壁厚0.41 mm，拉應力計算[9]約為4.7 MPa。加上電子膨脹閥來自于激光焊接和深沖加工成型過程中所形成的較大約束殘余拉應力[10]，達到了可以引起電子膨脹閥外殼應力腐蝕開裂的臨界應力σSCC，滿足應力腐蝕的應力條件。

能譜分析表明，斷口及腐蝕產(chǎn)物中存在大量氯化物，經(jīng)檢查確認其來源為空調(diào)制造過程中使用的清洗液。變質(zhì)試驗表明該溶液化學穩(wěn)定性差，在有水、氧氣和高溫下可分解出Cl-濃度達(50～200)×10-6(見2.3節(jié))。滿足了活性介質(zhì)環(huán)境條件，形成不銹鋼表面的選擇吸附和閉塞電池效應，促成點蝕、應力集中、裂紋萌生和擴展[11]。

2.3 再現(xiàn)試驗

在空調(diào)制造工藝過程中清洗劑可能含Cl，對被懷疑引起腐蝕的物質(zhì)，如未使用的潤滑液、清洗液、除銹劑溶液及生產(chǎn)線在線抽取的溶液(各項指標如濃度、pH值、電導率、顆粒度、溫度等滿足生產(chǎn)工藝要求)各抽取兩平行試樣。將抽取樣品與水進行水解反應[12]，試驗裝置如圖8所示。試驗溶液為測試試劑與水9：1；試驗溫度為(143±5) ℃；加熱方式為熱油浸泡；待測試溶液上側(cè)氣體使用高純度氧氣置換，置換氣體壓力為0.5 MPa；上側(cè)通冷卻水形成環(huán)流，每隔6 h使用紫外光管進行15 min光降解，并緩冷抽樣檢測離子濃度；試驗24 h結(jié)束，結(jié)果如表2。

圖8 電子膨脹閥制程用輔劑變質(zhì)試驗裝置 Fig.8 Excipients deterioration testing device of the electronic expansion valve manufacture表2 電子膨脹閥制程用輔劑變質(zhì)試驗結(jié)果 (質(zhì)量分數(shù) /10-6)Table 2 Deterioration test results of excipients for electronic expansion valve manufacture (mass fraction /10-6)

ExcipientsTestoftime/h6121824LubricantsN.D.N.D.N.D.N.D.N.D.N.D.N.D.N.D.CleaningfluidN.D.N.D.N.D.N.D.N.D.N.D.N.D.23Lubricants(Onlineextractionofeachindicatorwithinthespecifi-cations)N.D.N.D.N.D.N.D.N.D.N.D.N.D.N.D.Cleaningfluid(Onlineextractionofeachindica-torwithinthespecifications)N.D.N.D.N.D.64N.D.N.D.48203RustinhibitorN.D.N.D.N.D.N.D.N.D.N.D.N.D.N.D.

注：N.D.表示檢測到Cl-濃度<3×10-6

試驗表明，電子膨脹閥外殼沖壓加工后使用的清洗劑化學穩(wěn)定性差，熱環(huán)流可分解出Cl-，抽取在線使用清洗液，分解情況尤為嚴重。但是，外殼深沖加工用的乳化潤滑油、工裝防護用的防銹劑等在常溫工作環(huán)境、長期加熱及受紫外線作用下是穩(wěn)定的。

將電子膨脹閥(外殼組裝及激光環(huán)縫焊后)制品浸入變質(zhì)試驗后的溶液中，按上述試驗條件繼續(xù)試驗，每4 h取出一次，進行觀測和氣密檢查。經(jīng)過12、16 h后，放入清洗液(在線抽取)，樣件在環(huán)焊縫上部出現(xiàn)圓周方向的開裂，裂紋位置與售后出現(xiàn)裂紋位置接近(圖9)。

圖9 試驗后的電子膨脹閥環(huán)焊外殼 Fig.9 Circumference brazing shell of tested electronic expansion valve body

3 結(jié)論及措施

電子膨脹閥外漏失效原因為外殼內(nèi)表應力腐蝕。反應應力條件來自工作負載和激光焊接拉應力，腐蝕環(huán)境條件來自于制造過程中使用的清洗液在水分、氧氣和溫度條件下發(fā)生的變質(zhì)反應。從以上兩方面制定控制措施有效防止了同類故障的發(fā)生：

1)在使用清洗劑、揮發(fā)油、除銹劑和助焊劑等物質(zhì)時，要加強對這些物質(zhì)的選用和控制，要進行變質(zhì)試驗并達標，驗收也要做相應的試驗驗證。

2)對全制造流程進行嚴格控制，設法減少清洗劑等物質(zhì)在零件表面的殘留量和殘留時間。并在貯存過程中加強防護，應避免高溫、高濕和含氧的環(huán)境，杜絕發(fā)生水解反應，避免造成腐蝕環(huán)境。

3)控制激光焊接殘余拉應力，合理控制焊接熔深和速度，結(jié)合X射線檢測和焊接仿真，減少薄壁側(cè)的約束拉應力。

4)對電子膨脹閥外殼深沖壓加工采取分段拉伸，通過調(diào)節(jié)和改變不同拉伸段的加工率，促使加工時材料發(fā)生的熱量上升，給材料帶來退火熱處理效果，以降低外殼深沖時近內(nèi)壁側(cè)的殘留應力。

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