于宗伟 陈 红

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

某套管式换热器自投入使用以来，陆续接到3 单售后接头漏水问题（如图1）。问题换热器为同轴式套管换热器，铜管内流质为水，通过螺纹活接头与外界水管连接；经检查，裂漏部位全部在螺纹活接头的黄铜与紫铜管配合台阶处（如图2），严重的黄铜接头已贯穿式开裂。

图1 售后反馈不同机组接头裂漏情况

图2 接头及其连接管的剖开视图

1 故障分析

针对此次裂漏问题，从材质分析、加工工艺分析及结构受力分析三方面入手，进行问题彻底排查。

1.1 材质测试分析

1）材质分析

套管接头为黄铜棒材加工，从故障接头上取样，使用直读光谱仪测试，实测黄铜接头化学成分如图3，主要元素成分均符合铅黄铜HPb59-1 标准的要求，说明原材料材质本身无问题。

图3 黄铜接头成分检验

2）金相分析：

①裂纹起始于黄铜台阶圆弧过渡与直线段管壁交叉位置，横向环圆周扩展开裂，观察断口表面已明显氧化发黑，与其它区域颜色存在差异，断裂线平滑，非长期疲劳断裂，判断应为受力后脆性断裂[1]，如图4（a）。

图4 金相组织观察

②显微镜下观察断口裂纹线横向穿晶开裂，排除材质应力导致断裂，横纵向组织有明显的针状和块状，说明组织不均匀；断口为焊接部位，观察远离焊点其它位置，横纵向组织同样也存在针状和块状晶粒，但是在焊接位置附近组织晶粒有非常明显的长大和增多现象，说焊接高温过程对材料材质有很大的影响。如图4（b）、（c）。

因此接头主要为晶界组织出现过热引起抗冲击韧性下降；整机装配过程对黄铜螺母打紧后，强受力使用产生脆性断裂。

1.2 加工工艺

核查该款产品黄铜接头加工流程为：黄铜棒（挤压管）在市场通用类物料采购，然后在数控机床按图纸要求加工。黄铜棒材料在挤压牵引时前端一节（30～50 mm）可能会存在清洁度和内部致密度结构松散不良现象，对成品质量产生影响。

黄铜接头与紫铜管的焊接采用铜磷焊料进行焊接，铜磷焊料在钎焊铜合金时，磷不能充分还原铜合金元素形成的氧化物，导致焊缝效果会略差，焊接温度高；同时发现预留焊缝间隙小，焊料流动差，部分成品焊料未能完全渗透（如图5）；据调查，生产过程中也存在多次焊接的过烧情况，会使材料晶粒变大，材质变脆。

图5 焊接情况

1.3 结构及受力分析

结构检查分析，套管接头的黄铜套环壁厚只有1.2 mm，相比于接头整体，此处过于单薄；使用ANSYS软件模拟仿真拧紧螺纹时的情况，接头受力最大点与实际断裂处相同，在台阶过渡处；按照实际装配情况给出40 N.m 的力矩作用下，应力最大点数值63 MPa，接近铜的屈服极限[2]，交付客户实际使用过程中确实有一定风险；而同样情况下，如果将黄铜接头套环加厚至2.9 mm进行模拟分析，应力最大处可下降20 %左右（如图6）。

图6 不同壁厚情况下受力的仿真结果

2 整改方案

通过上述分析，黄铜接头裂漏主要是由于材料加工焊接不良及结构设计偏弱导致，针对此两点因素，在加工工艺和结构设计方面做如下改善：

1）改善加工焊接质量，增加检测工序：

①黄铜棒材加工时需要将前端30～50 mm 切除，避免不良物料混入；

②调整黄铜件的配件焊接结构，增加梯角，增大焊接间隙，使配管焊接时有焊料完全渗透在梯角处，如图7；

图7 黄铜接头结构调整

③使用的铜磷焊料中增加2～5 %的银，银元素能大大提高焊料的浸润能力，提高材料强度及韧性，降低熔点，因此可降低焊接的火焰温度，降低焊接热影响[3]；

④禁止多次返工焊接，防止返工带来的过烧影响材质晶粒变大，材料变脆[4]；

⑤加工完成后增加接头紧固氨熏检验，批量物料进行0～1.5 MPa 焊接紧固进行脉冲试验抽测。

2）针对铜接头套环壁厚过薄的情况，调整接头的结构，增加套环材料壁厚至2.9 mm，保证螺纹拧紧时材料所受应力减少。同时台阶过渡处由直角过渡改为R2 的圆角过渡，避免台阶过渡处的应力集中，造成材料受损。

3 售后使用情况

根据上述整改方案，对首批生产的套管换热器(整改前)做封存返包处理，已售套管换热器召回换新。整改后套管换热器正常生产使用，至今无售后裂漏问题反馈（表1 为截至2020年整改前后对比数据）。

表1 套管整改前后数据对比

4 结论

通过对套管黄铜接头的生产、检测、仿真分析等跟踪处理，系统地分析了接头裂漏的成因。根据问题原因从结构设计、材料加工焊接方面着手，对套管水管接头进行合理化设计和加工工艺的改进，提高了螺纹接头的抗裂漏能力和强度，后面未出现过售后裂漏的反馈，问题得以彻底解决。