杜雄雄

（柳州五菱柳機(jī)動(dòng)力有限公司，廣西 柳州545005）

0 引言

某汽油機(jī)的EGR波紋管的一端法蘭（圖1左側(cè)）連接排氣歧管4個(gè)歧管的匯合處，另外一端法蘭（圖1右側(cè)）與冷卻器連接。EGR波紋管是由兩處法蘭、一處活動(dòng)支架、一處整體成型的圓管波紋管組成。波紋管采用機(jī)械脹波工藝，圓管與兩處法蘭通過釬焊連接（見圖1）。該結(jié)構(gòu)的EGR波紋管在發(fā)動(dòng)機(jī)耐久臺(tái)架試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了兩處斷裂，斷裂的位置分別為：首次出現(xiàn)的斷裂位置在波紋管的波峰處，當(dāng)波峰處的斷裂改善后，新的斷裂位置出現(xiàn)在圓管與法蘭的焊接處。影響波紋管的因素包括：管路布置、使用環(huán)境、材質(zhì)、制造工藝、波形參數(shù)、制造精度、裝配偏差等。本文將按以上因素對(duì)兩處斷裂進(jìn)行分析，找出斷裂的根本原因，并提出簡(jiǎn)單可行的改善方案。

圖1 EGR波紋管的布置結(jié)構(gòu)

1 問題一描述

發(fā)動(dòng)機(jī)耐久臺(tái)架試驗(yàn)過程中，3件相同狀態(tài)的EGR波紋管出現(xiàn)斷裂的時(shí)間分別為：63 h、59 h、69 h，首次出現(xiàn)斷裂的位置（見圖2）都位于靠近排氣歧管4個(gè)歧管的匯合處一側(cè)波紋管的波峰處。

圖2 波峰處斷裂的位置

2 問題一原因分析

2.1 宏觀斷口

斷口有高溫氧化色，有疲勞紋線及眾多疲勞小臺(tái)階，也有少部分?jǐn)嗝鎸?duì)碰而呈坦亮態(tài)，屬疲勞斷裂，波峰處斷裂的宏觀斷口見圖3。

圖3 波峰處斷裂的宏觀斷口

2.2 金相組織

斷口處金相為孿晶奧氏體單一相組織，晶粒度4.5級(jí)，有少量δ鐵素體，斷口處穿晶斷裂。穿晶斷裂一般是韌性斷裂，材料斷裂前已經(jīng)承受過大量的塑性變形，所以穿晶斷裂基本上都是疲勞斷裂，金相組織見圖4。

圖4 波峰處斷裂的金相組織

2.3 材質(zhì)分析

EGR波紋管在發(fā)動(dòng)機(jī)工作的工況為進(jìn)氣溫度450℃，出氣溫度320℃，材料耐熱溫度-40℃ ～850℃。由于發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣具有較強(qiáng)的腐蝕性，其材質(zhì)還需要具有較強(qiáng)的耐腐蝕性能[1]，因此EGR波紋管材料選用常見的SUS321，對(duì)改善晶間腐蝕傾向更優(yōu)異于SUS304，在高溫工作時(shí)具有足夠的熱穩(wěn)定性，并能夠承受最大的工作壓力，所以材料的力學(xué)性能、耐腐蝕性、耐熱性、耐壓性不是導(dǎo)致斷裂的原因。

2.4 制造工藝

EGR波紋管在制造工藝上采用先脹波后釬焊，相對(duì)先釬焊后脹波的制造工藝，后者疲勞強(qiáng)度強(qiáng)度提升為前者的3倍以上，但EGR波紋管兩端釬焊法蘭，所以不能從焊接工藝上進(jìn)行優(yōu)化。

2.5 優(yōu)化前的波形參數(shù)

波形參數(shù)對(duì)波紋管各項(xiàng)性能影響很大，其中波深系數(shù)是決定波紋管幾何形狀的一個(gè)重要參數(shù)，通常用波深系數(shù)K來表示，K=D/(D-2h)，EGR波紋管波深系數(shù)K=1.3～1.5，波紋管較容易成形。K值越大，波高h(yuǎn)越大，允許的位移越大，剛度越小、越容易出現(xiàn)失穩(wěn)，波紋管成形也越困難。波紋管形狀為U形，U形波紋管便于加工，補(bǔ)償能力較好，因此得到廣泛應(yīng)用。優(yōu)化前的波形結(jié)構(gòu)見圖5，優(yōu)化前的波形參數(shù)見表1。

②預(yù)制混凝土板:預(yù)制混凝土板要平整，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求施工，坡面誤差不得大于±0.5 cm，板下嚴(yán)禁用小石子、中粗砂找平；板與板之間縫控制在1.5～2.5 cm之間。

圖5 優(yōu)化前的波紋管結(jié)構(gòu)（mm）

表1 優(yōu)化前的波形參數(shù)

2.6 理論分析

疲勞斷裂的斷口起源一般在受應(yīng)力較大的部位，分析其波形參數(shù)，波峰外壁圓角半徑小于波谷，容易在波峰處產(chǎn)生應(yīng)力集中。此外波紋管波距較小，柔性越好，補(bǔ)償性能也就越好，但是剛度較小，容易使波紋管在發(fā)動(dòng)機(jī)的交變應(yīng)力下出現(xiàn)振動(dòng)疲勞，從而在應(yīng)力集中的波峰處出現(xiàn)斷裂[2]。

2.6.1 軸向彈性剛度

軸向彈性剛度是評(píng)價(jià)波紋管性能的重要指標(biāo)，剛度小，產(chǎn)生的橫向位移也較大。當(dāng)橫向位移超過波紋管振動(dòng)所產(chǎn)生的最大位移時(shí)會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效。波紋管的軸向彈性剛度是以單波軸向彈性剛度為基準(zhǔn)計(jì)算的，計(jì)算公式[3]如下：

由式（1）可以看出，波紋管的軸向彈性剛度主要與波紋管平均直徑Dm、彈性模量Eb、成型后的管壁厚δp、層數(shù)n、波高h(yuǎn)、修正系數(shù)Cf有關(guān)。由以上公式可知，增加管坯壁厚δ0或成型后的δp都可引起軸向彈性剛度的增加。

2.6.2波紋管成形前后壁厚變化關(guān)系

根據(jù)質(zhì)量守恒，波紋管成形前后壁厚變化關(guān)系如下：

其中：

簡(jiǎn)化得：

由式（2）可以看出，增加管坯壁厚 δ0、增加波距q、減小波高h(yuǎn)，都會(huì)使成型后的管壁厚δp增加。

2.6.3 第一次優(yōu)化后的波形參數(shù)

根據(jù)式（1）和（2），增加成型后的管壁厚 δp，軸向彈性剛度會(huì)變大，所以在不提高管坯壁厚成本的情況下，可通過增加波距的方式來提高軸向彈性剛度。第一次優(yōu)化后的波形參數(shù)見表2。

表2 第一次優(yōu)化后的波形參數(shù)

3 問題二描述

按第一次優(yōu)化后的波形參數(shù)制作新的樣件，并進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn)，第1件運(yùn)行至38 h，在靠近冷卻器一側(cè)的EGR波紋管與法蘭焊接處出現(xiàn)斷裂，重新更換相同狀態(tài)的樣件，第2件運(yùn)行至45 h和第1件在相同的位置出現(xiàn)了斷裂（見圖6），而原來在波紋管的波峰處沒有出現(xiàn)斷裂。

圖6 焊接處斷裂的位置

4 問題二原因分析

4.1 宏觀斷口

斷口大部份呈撕裂形態(tài)，沒有小臺(tái)階與疲勞紋，部分區(qū)域有磨刮痕跡，屬應(yīng)力過載斷裂。焊接處斷裂的宏觀斷口見圖7。

圖7 焊接處斷裂的宏觀斷口

4.2 金相組織

斷口處金相為孿晶奧氏體單一相組織，晶粒度4級(jí)，斷口處部分沿晶界斷。多數(shù)情況下沿晶斷裂屬于脆性斷裂，應(yīng)降低金屬表面的殘余拉應(yīng)力，金相組織見圖8。

圖8 焊接處斷裂的金相組織

4.3 制造精度及焊接工藝

EGR波紋管成型后的精度差，在裝配時(shí)產(chǎn)生較大的裝配應(yīng)力；焊接部位存在較大缺陷，制造工藝為釬焊前在法蘭結(jié)合處先用電弧焊點(diǎn)三個(gè)焊點(diǎn)，焊點(diǎn)存在缺陷時(shí)，會(huì)使缺陷處的強(qiáng)度大幅降低，容易成為裂紋的起源位置。從斷口分析來看，該處承受較大的應(yīng)力，圓管的強(qiáng)度低，在振動(dòng)下產(chǎn)生的位移大于管的壁厚而出現(xiàn)撕裂。

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)

增加圓管管坯壁厚，提高圓管的強(qiáng)度，減小過載斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

5.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

由改進(jìn)前的一體式波紋結(jié)構(gòu)更改為分段式結(jié)構(gòu)，制造工藝由改進(jìn)前的整體成型更改為單獨(dú)成型，即圓管和波紋管分別成型，兩段圓管分別插入到波紋管兩端的直邊段內(nèi)，通過釬焊將三者焊接在一起（見圖 9）。

圖9 優(yōu)化后的圓管與波紋管結(jié)構(gòu)

5.2 優(yōu)化波形參數(shù)

在滿足EGR管進(jìn)氣流量的前提下，保持圓管內(nèi)徑d不變，增大波紋管內(nèi)徑Db和外徑D，減小波深系數(shù)K值，提高EGR管整體強(qiáng)度和剛度。第二次優(yōu)化后的波形參數(shù)見表3。

表3 第二次優(yōu)化后的波形參數(shù)

5.3 改進(jìn)焊接工藝

取消釬焊前在法蘭結(jié)合處先用電弧焊點(diǎn)三個(gè)焊點(diǎn)的工藝，改進(jìn)為脹管工藝，即通過脹管后與法蘭孔過盈配合，再進(jìn)行高溫釬焊。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

第二次優(yōu)化完成后的EGR波紋管在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上通過了570 h的耐久試驗(yàn)，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

7 結(jié)束語

發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于用EGR波紋管連接振動(dòng)位移較大的兩個(gè)零件時(shí)，在設(shè)計(jì)EGR波紋管時(shí)不能僅考慮其補(bǔ)償性，需充分評(píng)估其在制造精度、裝配偏差的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高波紋管的剛度，提升整體波紋管的強(qiáng)度，減小振動(dòng)疲勞對(duì)波紋管的破壞，提高安全系數(shù)，滿足耐久試驗(yàn)的要求。本文提出的改善方案對(duì)類似EGR波紋管的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了借鑒和可行的理論依據(jù)。