空調(diào)冷凝器管路失效分析及改進(jìn)

摘 要：空調(diào)冷凝器管路失效是空調(diào)失效的常見問題之一。本文采用化學(xué)、力學(xué)、金相、斷口形貌及微觀組織、硬度等分析技術(shù)手段論證了客戶端批量性功能失效投訴的失效機(jī)理是供應(yīng)商彎管工具限位裝置緊固失效，并提出了增加工裝定期維保計(jì)劃等相應(yīng)改進(jìn)方案，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證有效，對(duì)空調(diào)行業(yè)管路工藝控制產(chǎn)生了借鑒性作用。

關(guān)鍵詞：空調(diào)管路;鋁合金管;斷裂分析;失效分析;失效改進(jìn)

中圖分類號(hào)：TE965 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）25-0044-04

1 問題分析

空調(diào)系統(tǒng)漏液（冷媒泄漏）是家用或工業(yè)用空調(diào)常見的問題之一。該問題的危害性較大：一是造成環(huán)境污染;二是對(duì)人體健康有害。因此，只有通過分析找到漏液的根本原因，并進(jìn)行改進(jìn)，加以預(yù)防和控制，才能杜絕其危害。

曾經(jīng)客戶投訴某批次140臺(tái)基站用精密空調(diào)產(chǎn)品中51臺(tái)出現(xiàn)異常，是同一批次產(chǎn)品，不良率為36.4%，故障現(xiàn)象為L(zhǎng)ED工作綠燈亮但壓縮機(jī)不啟動(dòng)、不制冷。正常產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)有7～10A電流，但這批140臺(tái)產(chǎn)品只有0.7A。拆機(jī)進(jìn)一步檢查可知，均為冷媒泄漏致使壓縮機(jī)自動(dòng)停機(jī)保護(hù)所致，又發(fā)現(xiàn)冷凝器管路進(jìn)口端折彎處都一致存在沿管壁擴(kuò)展的徑向裂紋。經(jīng)核查，該機(jī)型冷凝器管路皆為鋁管。由此，分析產(chǎn)品失效的根本原因，根據(jù)不良原因制定相應(yīng)的改善方案。

2 失效件檢查

針對(duì)上述問題，團(tuán)隊(duì)決定對(duì)失效件進(jìn)行抽樣，做相關(guān)檢查分析。

2.1 檢測(cè)方法

用超聲波清洗失效樣件后目視觀察裂紋宏觀形貌，再在樣件斷面附近截取樣品制成金相試樣，根據(jù)《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》（GB/T 13298—2015）[1]進(jìn)行金相分析，然后依據(jù)《體視顯微鏡試驗(yàn)方法》（GB/T 19863—2005）[2]、《微束分析、能譜法定量分析》（GB/T 17359—2012）[3]實(shí)施樣件的微觀組織和表面微區(qū)能譜分析，同時(shí)另送失效件采用EPA6010C：2007[4]方法進(jìn)行材料的化學(xué)成分分析，并依據(jù)《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》（GB/T 228.1—2010）[5]進(jìn)行力學(xué)性能拉伸測(cè)試，最后依據(jù)《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》（GB/T 4340.1—2009）[6]檢測(cè)樣件硬度。

2.2 具體檢查

2.2.1 宏觀檢查。對(duì)失效件進(jìn)行目視檢查，發(fā)現(xiàn)斷裂位置均在鋁管90°折彎處。此鋁管為冷凝器進(jìn)口連接壓縮機(jī)之用，鋁管從冷凝器出來80mm后迅速折彎轉(zhuǎn)向90°一直通向空調(diào)底部壓縮機(jī)一端，長(zhǎng)度520mm。裂紋為貫穿型，由彎管外側(cè)向內(nèi)側(cè)逐漸延伸擴(kuò)展。宏觀檢查并沒有發(fā)現(xiàn)異常點(diǎn)。失效件宏觀形貌見圖1。

2.2.2 尺寸測(cè)量。抽樣對(duì)彎管壁厚進(jìn)行尺寸測(cè)量。通過測(cè)量可知，最厚位置在彎管內(nèi)側(cè)，最薄位置在彎管外側(cè)。最厚位置處壁厚為1.35mm左右，略微超出上公差限1.26mm的要求，最薄位置處壁厚為1.1mm左右，略微低于下公差限1.14mm的標(biāo)準(zhǔn)要求，壁厚平均值為1.23mm，符合公差要求。通過分析數(shù)據(jù)可知，受拉伸部位偏薄而受擠壓部位偏厚，可見，彎管可能存在過度彎折的工藝問題。

2.2.3 化學(xué)成分分析。此款成品冷凝器鋁管選用國(guó)標(biāo)鋁合金牌號(hào)3003，根據(jù)國(guó)標(biāo)《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》（GB/T 3190—1996）[7]，失效件化學(xué)成分分析檢測(cè)設(shè)備為ICP-OES。材料化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)結(jié)果見表1。

結(jié)果顯示：失效件成分與要求使用的3003牌號(hào)標(biāo)準(zhǔn)成分比對(duì)并無顯著差異。

2.2.4 力學(xué)性能試驗(yàn)。對(duì)失效件抽樣做力學(xué)性能測(cè)試，以判定鋁管是否符合《鋁及鋁合金拉（軋）制無縫管》（GB/T 6893—2010）[8]的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)力速率：10MPa/s。拉伸測(cè)試結(jié)果見表2，強(qiáng)度-應(yīng)變曲線見圖2。

通過比較可以看出，失效鋁管力學(xué)性能完全滿足國(guó)標(biāo)要求。

2.2.5 金相分析。為了確定鋁管拉制退火工藝是否會(huì)造成材料有內(nèi)在微觀缺陷，委托第三方做了金相切片分析，檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

通過查閱《有色金屬材料手冊(cè)》[9]可知，3003合金主要相應(yīng)為α（Al）和MnAl6，可能還存在（FeMn）Al6或（FeMnSi）Al6等雜質(zhì)相，退火后組織為α（Al）固溶體，第二相組成物為α-Al（FeMnSi）或（FeMn）Al6，第二相彌散分布是其典型特征[10]。從圖3中可看出析出點(diǎn)細(xì)小均勻，與文獻(xiàn)對(duì)第二相分布描述吻合。

2.2.6 斷口形貌及微觀組織分析。形貌分析是觀察斷口微觀組織，明確其產(chǎn)生、發(fā)展及斷裂原因的重要手段。借助掃描電子顯微鏡（SEM）觀察到，斷口未見有腐蝕產(chǎn)物堆積。這說明裂紋不是因腐蝕造成的。但是，觀察樣品斷口SEM照片可以發(fā)現(xiàn)不同的斷裂特征和機(jī)理。

樣品斷口有人字形裂紋，由外向內(nèi)擴(kuò)展，此花樣屬于解理斷裂[11]。到供應(yīng)商彎管加工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)：兩套彎管工具中有一套緊固裝置保持緊固良好狀態(tài)，但另一套因限位裝置緊固松動(dòng)導(dǎo)致彎管幾何形狀發(fā)生變化，過度的折彎就導(dǎo)致彎管位置出現(xiàn)如圖4所示的表面微裂紋。供應(yīng)商實(shí)施檢驗(yàn)時(shí)也發(fā)現(xiàn)了輪廓不良現(xiàn)象，但由于并未用相關(guān)檢測(cè)設(shè)備做進(jìn)一步檢查（僅有目視檢查要求），其當(dāng)時(shí)決定只是對(duì)不良產(chǎn)品輪廓度做返工處理，沒有能發(fā)現(xiàn)彎管處已經(jīng)出現(xiàn)了微裂紋。而且未對(duì)兩套彎管工具做追溯性識(shí)別，導(dǎo)致兩套工具加工的產(chǎn)品混到一起后無法識(shí)別，所以無法快速篩選出不良品。

比較正常冷凝器彎管處微觀組織（見圖5）和失效件斷口制樣微觀組織（見圖6）可以發(fā)現(xiàn)，其均為受均勻化處理的α固溶體和顆粒狀第二相析出物組織（退火后的確為彌散狀態(tài)，與前述文獻(xiàn)描述一致）。

此外，單獨(dú)放大析出物做EDS分析，具體結(jié)果見圖7至圖10、表3和表4。基體A區(qū)域成分為Al、Fe、Mn、Si，析出物內(nèi)B點(diǎn)成分也是Al、Fe、Mn、Si，區(qū)別在于析出物內(nèi)Fe、Mn、Si等合金元素的含量明顯增加，顯著大于基體中合金元素含量。從分析結(jié)果未能發(fā)現(xiàn)失效件存在明顯夾雜、偏析等缺陷[12]，可見，原材料到彎管前為止的加工并不存在缺陷。

2.2.7 硬度測(cè)試。從失效鋁管金相切片表面選取6個(gè)點(diǎn)測(cè)量表面維氏硬度（HV0.1，持續(xù)時(shí)間10s），結(jié)果如表5所示。從表5可知，樣件硬度為37.6～40.3，數(shù)據(jù)分布集中表明該合金固溶處理較好[13]，且全部符合HV=39±5（34～44）的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3 失效模式的變異源分析

綜合上述檢查，得出失效原因主要有以下兩方面。

第一，冷凝器供應(yīng)商彎管工具限位裝置緊固失效導(dǎo)致鋁管在折彎時(shí)出現(xiàn)了微裂紋，這使得鋁管裝配成品后壓縮機(jī)工作時(shí)的變頻、周期性振動(dòng)導(dǎo)致裂紋逐漸擴(kuò)展，從而導(dǎo)致鋁管最終斷裂，這是根本原因。

第二，“未對(duì)兩套彎管工具做追溯性識(shí)別”“供應(yīng)商無探傷設(shè)備”“檢驗(yàn)方法僅有目視”被確認(rèn)為是不良品流出原因。

4 結(jié)論

針對(duì)上述幾點(diǎn)原因，經(jīng)過與供應(yīng)商技術(shù)人員的現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，制定了如下所示的改善方案。

供應(yīng)商增加了針對(duì)所有現(xiàn)場(chǎng)工裝、夾具、模具的定期維保計(jì)劃，每日點(diǎn)檢、月度保養(yǎng)、年度保養(yǎng)等結(jié)合按不同側(cè)重點(diǎn)有層次地實(shí)施主動(dòng)檢查、維護(hù)，以便確保今后彎管工具限位裝置緊固不再失效;在工具夾緊塊位置（直線段）增加微小的凸字以便能夠使不同工具加工的彎管得以被有效識(shí)別;對(duì)于供應(yīng)商僅有目視檢查的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，要求其購買探傷設(shè)備提升裂紋偵測(cè)水平;同時(shí)，加強(qiáng)單值-移動(dòng)極差圖（I-MR）管控，以便確保彎管過程始終處于受控狀態(tài)。

供應(yīng)商改善鋁管工藝后裝配的整機(jī)設(shè)備經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室極端工況模擬驗(yàn)證、壽命測(cè)試及隨后客戶對(duì)改善后產(chǎn)品14個(gè)月以上的批量性長(zhǎng)期實(shí)際使用，未再發(fā)現(xiàn)冷凝器進(jìn)口端鋁管開裂帶來的不制冷問題。這也進(jìn)一步驗(yàn)證了失效原因分析及改善措施的正確性。

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