套管水管接頭售后斷裂問題分析與處理措施

于宗偉 陳 紅

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

某套管式換熱器自投入使用以來，陸續(xù)接到3 單售后接頭漏水問題（如圖1）。問題換熱器為同軸式套管換熱器，銅管內(nèi)流質(zhì)為水，通過螺紋活接頭與外界水管連接；經(jīng)檢查，裂漏部位全部在螺紋活接頭的黃銅與紫銅管配合臺階處（如圖2），嚴(yán)重的黃銅接頭已貫穿式開裂。

圖1 售后反饋不同機組接頭裂漏情況

圖2 接頭及其連接管的剖開視圖

1 故障分析

針對此次裂漏問題，從材質(zhì)分析、加工工藝分析及結(jié)構(gòu)受力分析三方面入手，進(jìn)行問題徹底排查。

1.1 材質(zhì)測試分析

1）材質(zhì)分析

套管接頭為黃銅棒材加工，從故障接頭上取樣，使用直讀光譜儀測試，實測黃銅接頭化學(xué)成分如圖3，主要元素成分均符合鉛黃銅HPb59-1 標(biāo)準(zhǔn)的要求，說明原材料材質(zhì)本身無問題。

圖3 黃銅接頭成分檢驗

2）金相分析：

①裂紋起始于黃銅臺階圓弧過渡與直線段管壁交叉位置，橫向環(huán)圓周擴展開裂，觀察斷口表面已明顯氧化發(fā)黑，與其它區(qū)域顏色存在差異，斷裂線平滑，非長期疲勞斷裂，判斷應(yīng)為受力后脆性斷裂[1]，如圖4（a）。

圖4 金相組織觀察

②顯微鏡下觀察斷口裂紋線橫向穿晶開裂，排除材質(zhì)應(yīng)力導(dǎo)致斷裂，橫縱向組織有明顯的針狀和塊狀，說明組織不均勻；斷口為焊接部位，觀察遠(yuǎn)離焊點其它位置，橫縱向組織同樣也存在針狀和塊狀晶粒，但是在焊接位置附近組織晶粒有非常明顯的長大和增多現(xiàn)象，說焊接高溫過程對材料材質(zhì)有很大的影響。如圖4（b）、（c）。

因此接頭主要為晶界組織出現(xiàn)過熱引起抗沖擊韌性下降；整機裝配過程對黃銅螺母打緊后，強受力使用產(chǎn)生脆性斷裂。

1.2 加工工藝

核查該款產(chǎn)品黃銅接頭加工流程為：黃銅棒（擠壓管）在市場通用類物料采購，然后在數(shù)控機床按圖紙要求加工。黃銅棒材料在擠壓牽引時前端一節(jié)（30～50 mm）可能會存在清潔度和內(nèi)部致密度結(jié)構(gòu)松散不良現(xiàn)象，對成品質(zhì)量產(chǎn)生影響。

黃銅接頭與紫銅管的焊接采用銅磷焊料進(jìn)行焊接，銅磷焊料在釬焊銅合金時，磷不能充分還原銅合金元素形成的氧化物，導(dǎo)致焊縫效果會略差，焊接溫度高；同時發(fā)現(xiàn)預(yù)留焊縫間隙小，焊料流動差，部分成品焊料未能完全滲透（如圖5）；據(jù)調(diào)查，生產(chǎn)過程中也存在多次焊接的過燒情況，會使材料晶粒變大，材質(zhì)變脆。

圖5 焊接情況

1.3 結(jié)構(gòu)及受力分析

結(jié)構(gòu)檢查分析，套管接頭的黃銅套環(huán)壁厚只有1.2 mm，相比于接頭整體，此處過于單??；使用ANSYS軟件模擬仿真擰緊螺紋時的情況，接頭受力最大點與實際斷裂處相同，在臺階過渡處；按照實際裝配情況給出40 N.m 的力矩作用下，應(yīng)力最大點數(shù)值63 MPa，接近銅的屈服極限[2]，交付客戶實際使用過程中確實有一定風(fēng)險；而同樣情況下，如果將黃銅接頭套環(huán)加厚至2.9 mm進(jìn)行模擬分析，應(yīng)力最大處可下降20 %左右（如圖6）。

圖6 不同壁厚情況下受力的仿真結(jié)果

2 整改方案

通過上述分析，黃銅接頭裂漏主要是由于材料加工焊接不良及結(jié)構(gòu)設(shè)計偏弱導(dǎo)致，針對此兩點因素，在加工工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計方面做如下改善：

1）改善加工焊接質(zhì)量，增加檢測工序：

①黃銅棒材加工時需要將前端30～50 mm 切除，避免不良物料混入；

②調(diào)整黃銅件的配件焊接結(jié)構(gòu)，增加梯角，增大焊接間隙，使配管焊接時有焊料完全滲透在梯角處，如圖7；

圖7 黃銅接頭結(jié)構(gòu)調(diào)整

③使用的銅磷焊料中增加2～5 %的銀，銀元素能大大提高焊料的浸潤能力，提高材料強度及韌性，降低熔點，因此可降低焊接的火焰溫度，降低焊接熱影響[3]；

④禁止多次返工焊接，防止返工帶來的過燒影響材質(zhì)晶粒變大，材料變脆[4]；

⑤加工完成后增加接頭緊固氨熏檢驗，批量物料進(jìn)行0～1.5 MPa 焊接緊固進(jìn)行脈沖試驗抽測。

2）針對銅接頭套環(huán)壁厚過薄的情況，調(diào)整接頭的結(jié)構(gòu)，增加套環(huán)材料壁厚至2.9 mm，保證螺紋擰緊時材料所受應(yīng)力減少。同時臺階過渡處由直角過渡改為R2 的圓角過渡，避免臺階過渡處的應(yīng)力集中，造成材料受損。

3 售后使用情況

根據(jù)上述整改方案，對首批生產(chǎn)的套管換熱器(整改前)做封存返包處理，已售套管換熱器召回?fù)Q新。整改后套管換熱器正常生產(chǎn)使用，至今無售后裂漏問題反饋（表1 為截至2020年整改前后對比數(shù)據(jù)）。

表1 套管整改前后數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)論

通過對套管黃銅接頭的生產(chǎn)、檢測、仿真分析等跟蹤處理，系統(tǒng)地分析了接頭裂漏的成因。根據(jù)問題原因從結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料加工焊接方面著手，對套管水管接頭進(jìn)行合理化設(shè)計和加工工藝的改進(jìn)，提高了螺紋接頭的抗裂漏能力和強度，后面未出現(xiàn)過售后裂漏的反饋，問題得以徹底解決。