某型流體連接器漏液失效分析及啟示

趙銳敏

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

1 引言

隨著裝備的技術(shù)發(fā)展，流體連接器在雷達(dá)、通信、導(dǎo)航等裝備液體冷卻系統(tǒng)中的使用越來越廣泛，已成為裝備液冷系統(tǒng)關(guān)鍵元件。流體連接器是一種能實(shí)現(xiàn)管路流體連通或斷開的連接器，由插頭和插座兩部分組成，插頭和插座各相當(dāng)于一個(gè)單向閥，未插入時(shí)，單向閥關(guān)閉，插頭和插座處于自密封狀態(tài)，管路中的液體不能流出；插頭推入插座時(shí)，彈簧被壓縮，插頭和插座的閥芯被推開，管路連通，流體便可以流通。流體連接器漏液失效，輕者會引起裝備溫度升高，影響裝備正常運(yùn)行，重者將會燒毀裝備，引發(fā)重大質(zhì)量與安全事故。

2 失效現(xiàn)象描述

2019年12月，接用戶質(zhì)量信息反饋：用戶某裝備冷卻系統(tǒng)在注液試運(yùn)行過程中，發(fā)生漏液現(xiàn)象。經(jīng)我們和用戶兩方技術(shù)人員現(xiàn)場勘查，發(fā)現(xiàn)流體連接器插頭殼體開裂，裂紋呈軸向，裂紋貫穿插頭殼體錐面，其形貌如圖1所示。雙方確認(rèn)泄漏原因是流體連接器殼體開裂所致。

3 故障定位

3.1 產(chǎn)品概述

該型號流體連接器采用螺旋槽式卡口鎖緊系統(tǒng)，連接器結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。由插頭殼體1、閥體2、連接套3、閥芯4、彈簧5、O型密封圈6和7組成。流體連接器插頭殼體材料為7A09鋁合金，表面處理工藝為硬質(zhì)陽極氧化。安裝使用時(shí)，插頭殼體60°內(nèi)錐面與連接軟管的球面形成金屬直接接觸密封。

圖1 某型流體連接器開裂位置示意圖

圖2 某型流體連接器結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 殼體開裂故障樹

根據(jù)流體連接器結(jié)構(gòu)組成、安裝方式和服役情況，結(jié)合流體連接器生命周期歷程，我們從流體連接器插頭殼體原材料、加工、安裝、使用的過程進(jìn)行分析。造成流體連接器插頭殼體開裂漏液的主要因素有：殼體材料本身存在裂紋、殼體零件加工過程中產(chǎn)生裂紋、連接器安裝時(shí)造成開裂、應(yīng)力腐蝕開裂等幾個(gè)方面，據(jù)此建立故障樹，如圖3所示。

3.3 故障分析

3.3.1 殼體零件材料本身存在裂紋因素分析X1

圖3 故障樹

該流體連接器插頭殼體所用材料為超硬鋁合金7A09-T6，熱處理狀態(tài)為T6態(tài)。我們復(fù)查材料采購檢驗(yàn)記錄，生產(chǎn)廠家出具的產(chǎn)品質(zhì)量證明書，該批次材料的技術(shù)指標(biāo)符合GB/T3191-2010，化學(xué)成分符合GB/T3190-2008，無過燒等異?，F(xiàn)象，該批次材料外觀質(zhì)量合格。我們對庫存同批次材料進(jìn)行復(fù)檢，重點(diǎn)檢查表面質(zhì)量、雜質(zhì)縮尾、熱處理過程過燒等，該批次材料合格，無異?，F(xiàn)象。

綜上分析：可以排除插頭殼體零件材料本身存在裂紋因素(X1)。

3.3.2 插頭殼體零件加工過程中產(chǎn)生裂紋因素分析X2

插頭殼體零件生產(chǎn)加工過程中可能導(dǎo)致開裂，主要因素包括機(jī)械加工和表面處理兩個(gè)方面。

(1)機(jī)械加工X2-1

插頭殼體機(jī)械加工工藝流程如下：備料-車-檢-銑-檢-表面處理。從加工工藝過程來看，機(jī)加工主要為車、銑工序，工藝編制合理。7A09材料具有良好的切削性能，采用精密數(shù)控機(jī)床加工過程僅會產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)力，不會導(dǎo)致母材開裂，復(fù)查零件檢驗(yàn)記錄，未發(fā)現(xiàn)裂紋記載。進(jìn)一步檢查機(jī)加工殘余應(yīng)力的影響，采用數(shù)字式顯微硬度計(jì)分別對零件原材料和機(jī)加工后的零件進(jìn)行了基體材料硬度測試，測試結(jié)果殘余應(yīng)力略有增加，未見明顯異常。故可以排除插頭殼體零件機(jī)械加工過程產(chǎn)生裂紋因素(X2-1)。

(2)表面處理X2-2

插頭殼體表面處理工藝流程如下：鋁零件-除油-清洗-酸洗-清洗-中和-清洗-硬質(zhì)陽極氧化-清洗-封閉-檢驗(yàn)。表面處理采取的是硫酸法硬質(zhì)陽極氧化，硬質(zhì)陽極氧化是基體金屬本身在硫酸溶液和電場作用下發(fā)生氧化形成氧化膜的過程。進(jìn)一步檢驗(yàn)表面處理殘余應(yīng)力的影響，對機(jī)加工后的和氧化后的零件采用數(shù)字式顯微硬度計(jì)分別進(jìn)行了基體材料硬度測試，測試結(jié)果應(yīng)力基本一致，未見明顯異常。

查插頭殼體零件表面處理工序后檢查報(bào)告，未發(fā)現(xiàn)可見裂紋記錄。查裝產(chǎn)品配前的零件檢驗(yàn)報(bào)告，未發(fā)現(xiàn)有裂紋記錄。依據(jù)《某型流體連接器詳細(xì)規(guī)范》，流體連接器出廠前外觀和漏率是100%檢驗(yàn)，均未有裂紋和泄露記載。對插頭殼體裂紋斷面形貌觀察分析，如圖4(a)所示，斷口邊緣氧化膜厚度均勻、分布連續(xù)，裂紋斷面無氧化膜覆蓋，據(jù)此可判定殼體裂紋萌生于表面處理工序之后?？梢耘懦砻嫣幚磉^程產(chǎn)生裂紋(X2-2)。

(a)裂紋斷面形貌 (b)裂紋形貌

綜合X2-1和X2-2分析，可以排除插頭殼體零件加工過程產(chǎn)生裂紋因素(X2)。

3.3.3 流體連接器安裝力矩造成開裂因素分析X3

根據(jù)產(chǎn)品規(guī)范要求，連接器安裝時(shí)在軟管連接螺母上施加30 N·m的擰緊力矩，連接器60°內(nèi)錐面受到軟管上球頭擠壓，使得球頭和錐面之間形成一個(gè)環(huán)狀的密封面，通過緊密接觸實(shí)現(xiàn)密封。安裝力矩過大，可能會導(dǎo)致錐面處擠壓開裂，我們通過施加安裝力矩試驗(yàn)進(jìn)行分析。我們?nèi)?0只同批次插頭殼體零件，用力矩扳手先施加力矩30N·m，檢查50只均未開裂；繼續(xù)施加力矩45 N·m 、55 N·m；仍未發(fā)現(xiàn)殼體開裂。取其中的2只施加力矩直至插頭殼體從螺紋根部擰斷，也未發(fā)現(xiàn)錐面開裂。試驗(yàn)證明插頭殼體開裂不是由安裝力矩過大導(dǎo)致的。

綜上分析，可以排除流體連接器安裝導(dǎo)力矩致插頭殼體面開裂因素(X3)。

3.3.4 應(yīng)力腐蝕開裂因素分析X4

(1)應(yīng)力腐蝕敏感材料因素分析X4-1

插頭殼體原材料為7A09鋁合金，原材料時(shí)效是主要熱處理工藝，大致分為3類：峰值時(shí)效(T6態(tài))、欠時(shí)效和過時(shí)效(T73態(tài))。原材料在T6峰值時(shí)效狀態(tài)下，合金具有很強(qiáng)的應(yīng)力腐蝕敏感性。7A09-T6屬于應(yīng)力腐蝕敏感性材料，具有在應(yīng)力、腐蝕介質(zhì)條件下產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象，故不能排除因素X4-1。

(2)應(yīng)力條件因素分析X4-2

連接器插頭殼體安裝時(shí)，通過對連接螺母施加30 N·m的擰緊力矩完成安裝，連接器插頭殼體60°錐面承受安裝應(yīng)力，因此插頭殼體在安裝使用后存在應(yīng)力環(huán)境條件。除此之外，插頭殼體同時(shí)還受到彈簧和閥體對插頭殼體的作用力。通過計(jì)算彈簧對插頭殼體產(chǎn)生的拉應(yīng)力分量可以忽略不計(jì)。閥體對插頭殼體的應(yīng)力為壓應(yīng)力，在殼體錐面上無拉應(yīng)力分量。

在應(yīng)力影響因素中，鋁合金只有受足夠大的拉伸應(yīng)力時(shí)才會發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。研究發(fā)現(xiàn)，在與軋制方向成 45°角的加載方向合金應(yīng)力腐蝕最敏感，其次是90°角的加載方向，而與軋制方向成0°角的加載方向合金應(yīng)力腐蝕最不敏感。插頭殼體安裝使用過程中，存在與材料軋制方向成60°角方向上安裝力矩應(yīng)力，應(yīng)力值為67.5MPa。因此，插頭殼體安裝使用過程中存在應(yīng)力腐蝕的拉應(yīng)力狀態(tài)敏感條件因素，故不能排除(X4-2)。

(3)應(yīng)力腐蝕介質(zhì)條件因素分析X4-3

圖5 腐蝕斷面掃描電鏡分析結(jié)果

圖6 機(jī)械撕裂斷面掃描電鏡分析結(jié)果

3.4 故障定位結(jié)果

4 機(jī)理分析

5 問題復(fù)現(xiàn)

表1 復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)

本試驗(yàn)可以證明對流體連接器殼體漏液根本原因是插頭殼體應(yīng)力腐蝕開裂所致。

6 結(jié)束語

流體連接器漏液失效，發(fā)生應(yīng)力腐蝕失效需要經(jīng)過較長時(shí)間，同時(shí)需要滿足應(yīng)力腐蝕發(fā)生的三個(gè)要素條件，具有復(fù)雜性、隱蔽性等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)和要素啟示我們在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、表面處理工藝、金屬材料特性和產(chǎn)品應(yīng)用安裝環(huán)境等綜合因素，避免應(yīng)力腐蝕情況的發(fā)生，保證產(chǎn)品可靠性。