陳昌中 陶 云 王成根

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

四通閥，是制冷設(shè)備的核心部件，其主要作用是利用閥芯和閥體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，改變制冷劑流動(dòng)方向，從而實(shí)現(xiàn)制冷和制熱的切換。四通閥閥體材料通常為奧氏體304不銹鋼，經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)A廠家在生產(chǎn)過程中，四通閥S接管的擴(kuò)口段與直管段過渡部位（即喇叭口處）經(jīng)常發(fā)生泄露現(xiàn)象，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，影響產(chǎn)品的使用壽命。因此，研究四通閥S接管喇叭口處的開裂行為，明確其開裂機(jī)理，并制定相應(yīng)的解決方案，對(duì)制冷行業(yè)具有重要的意義。

目前，不銹鋼領(lǐng)域的研究較多，包括研究不同元素成分、不同晶相結(jié)構(gòu)等對(duì)不銹鋼的耐腐蝕性能影響，同時(shí)針對(duì)不銹鋼在特定使用環(huán)境下的腐蝕行為機(jī)理進(jìn)行研究，但是針對(duì)奧氏體304不銹鋼在釬焊過程中開裂機(jī)理的研究鮮有報(bào)道。本文以應(yīng)力腐蝕、含銅雙相鋼“銅脆”現(xiàn)象機(jī)理為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝條件，詳細(xì)闡述了四通閥S接管喇叭口處的開裂機(jī)理，并制定了相應(yīng)的解決方案，徹底解決了四通閥S接管開裂泄露問題。

1 開裂失效樣件分析

1.1 裂口形貌分析

將A廠家的四通閥不良品在水檢池中保壓1 MPa，發(fā)現(xiàn)四通閥S接管泄露處變色最為嚴(yán)重，切取S接管泄漏部位的試樣，置于體視顯微鏡下觀察，泄漏處外表面可見環(huán)狀斷裂裂紋，內(nèi)表面位于銅配管下方有一條環(huán)向斷裂裂紋（如圖1）。

圖1 泄露部位內(nèi)表面裂口形貌

將樣品沿切割截面預(yù)磨、拋光后在顯微鏡下觀察，位于S接管喇叭口處有一條貫穿管壁的裂紋。在100 X顯微鏡下觀察，可見裂紋中有黃色的焊料存在，裂紋中未發(fā)現(xiàn)夾雜物缺陷（如圖2）。

圖2 S接管裂紋形貌（100 X）

將裂紋端樣品用10 %草酸溶液，電流密度1 A/cm2，電解腐蝕90 s，在200 X顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)腐蝕裂紋為沿晶界擴(kuò)展，晶界形態(tài)為一類階梯組織[1]，基體為奧氏體組織，平均晶粒度為3.0級(jí)，材料抗晶界腐蝕能力較強(qiáng)（如圖3、4）。

圖3 腐蝕裂紋（100 X）

圖4 局部裂紋形貌

四通閥S接管喇叭口處于四通閥C接管焊接火焰影響區(qū)，熱影響最為嚴(yán)重，導(dǎo)致不銹鋼變色嚴(yán)重[2]，裂紋處于喇叭口的下邊緣，貫穿壁厚，沿晶界擴(kuò)展，裂紋中有銅焊料滲入。

1.2 裂紋形成機(jī)理研究

1.2.1 四通閥C、S接管基材成分測(cè)試

取正常接管與開裂接管檢測(cè)材料元素成分及含量，檢測(cè)結(jié)果如表1所示，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且兩者元素含量差異較小，綜上可知，四通閥S接管喇叭口處開裂與成分差異無關(guān)。

表1 四通閥C、S接管元素成分及含量

1.2.2 四通閥性能測(cè)試分析

對(duì)成品四通閥高壓沖擊10次、S接管壓裝上限壓力后，顯微鏡下觀察S接管喇叭口處狀態(tài)，觀察結(jié)果如表2所示，S接管喇叭口處均未出現(xiàn)裂紋，綜上可知，四通閥來料質(zhì)量滿足要求。

表2 四通閥S接管性能測(cè)試

1.2.3 四通閥配管焊接工藝研究

四通閥的結(jié)構(gòu)如圖5，C、S、E三根接管并排放置，焊接工藝為手工焊，焊接順序?yàn)镃→S→E，焊接C接管時(shí)，火焰焰心會(huì)燒在S接管擴(kuò)口過渡段局部位置，由于擴(kuò)口部位有內(nèi)襯銅套，散熱情況要好于擴(kuò)口過渡段部位（喇叭口處），所以在焰心的灼燒下，S管擴(kuò)口過渡部位局部溫度會(huì)在瞬間迅速上升。實(shí)際在焊接時(shí)能看到有局部區(qū)域迅速呈現(xiàn)黃白色，經(jīng)實(shí)測(cè)，溫度約為1 300 ℃。

圖5 四通閥結(jié)構(gòu)剖視圖

綜上分析，由于焊接C管時(shí)，對(duì)S接管擴(kuò)口過渡部位（喇叭口處）的加熱迅速而集中，所以會(huì)造成焊接熱應(yīng)力，同時(shí)考慮失效件的裂紋形貌也與典型的熱應(yīng)力沿晶裂紋相同，所以存在焊接熱應(yīng)力的可能性較大。

為進(jìn)一步確定S接管喇叭口處是否存在焊接熱應(yīng)力，模擬焊接配管，再現(xiàn)開裂失效。實(shí)驗(yàn)一：采用高溫火焰對(duì)不銹鋼喇叭口部位局部進(jìn)行快速加熱，模擬C管焊接對(duì)S接管的影響，至不銹鋼熱態(tài)呈黃白色，冷卻后在水檢池中保壓1 MPa，可再現(xiàn)失效，裂紋形貌和位置與其他失效件相同（如圖6、7）。

圖6 重現(xiàn)裂紋形貌

圖7 重現(xiàn)裂紋形貌（100 X）

實(shí)驗(yàn)二：調(diào)整焊槍位置與氣流量，控制S接管喇叭口段不銹鋼燒至紅色，不到黃白色程度，加熱時(shí)間30 s，冷卻后在水檢池中保壓1 MPa，未出現(xiàn)失效。將S接管喇叭口段不銹鋼加熱控制至紅色，基體溫度較低，且加熱時(shí)間為30 s，溫度均勻，未達(dá)到產(chǎn)生熱應(yīng)力的條件，因此，S接管未出現(xiàn)失效。

實(shí)驗(yàn)三：調(diào)整焊槍位置，使用焊槍火焰焰心對(duì)S接管喇叭口段整體加熱至黃白色狀態(tài)，冷卻后在水檢池中保壓1 MPa，未出現(xiàn)開裂失效。對(duì)S接管喇叭口段整體加熱，S接管喇叭口段溫升均勻，基體各部分膨脹率一致，無熱應(yīng)力產(chǎn)生，因此S接管未出現(xiàn)失效。

實(shí)驗(yàn)四：對(duì)擴(kuò)口加工完成的S接管進(jìn)行加工應(yīng)力測(cè)試，采用MgCl2應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，按試驗(yàn)方法將試樣煮沸24 h后確認(rèn)，擴(kuò)口部位無裂紋，對(duì)成品閥同樣方法進(jìn)行試驗(yàn)，也沒有發(fā)現(xiàn)裂紋?？紤]如果是機(jī)加工應(yīng)力開裂，裂紋方向應(yīng)是豎直方向（應(yīng)力方向垂直于形變方向），形貌應(yīng)該是穿晶開裂，而失效件的裂紋為水平方向，形貌為沿晶裂紋，所以可以排除加工應(yīng)力。

由于四通閥的特殊結(jié)構(gòu)，焊接C管時(shí)，對(duì)S接管喇叭口段的熱影響有如下特點(diǎn)，溫度高（高于1 300 ℃）、加熱速度快、加熱不均勻，因此S接管喇叭口段存在焊接熱應(yīng)力，由實(shí)驗(yàn)四可知，S接管不存在加工應(yīng)力。S接管銅襯套底部預(yù)埋青銅焊圈，爐焊過程中，融化的焊料堆積在S接管喇叭口段，S接管喇叭口段滿足了“銅脆”現(xiàn)象的三要素“銅+高溫（超過銅的熔點(diǎn)）+應(yīng)力（焊接熱應(yīng)力）”[3][4]，因此，判定四通閥S接管喇叭口段的開裂失效機(jī)理為“銅脆”[5]。

1.3 裂紋形成原因及機(jī)理分析

S接管基材為奧氏體不銹鋼，奧氏體組織導(dǎo)熱性差，線膨脹系數(shù)大，由于四通閥的特殊結(jié)構(gòu)，C接管焊接時(shí)對(duì)S接管喇叭口段產(chǎn)生溫度高（高于1 300 ℃）、時(shí)間短、加熱不均（火焰遮擋）的熱影響，S接管喇叭口段產(chǎn)生溫差熱應(yīng)力。在高于1 083 ℃的溫度條件下，銅釬料形成液態(tài)富銅相，銅原子沿著奧氏體晶界擴(kuò)展，銅的強(qiáng)度和熔點(diǎn)都比鋼低很多，銅在不銹鋼中沿晶界擴(kuò)展，削弱了不銹鋼中晶粒與晶粒之間的聯(lián)系，晶粒之間聯(lián)系弱到一定程度時(shí)，在溫差熱應(yīng)力的作用下，不銹鋼基體產(chǎn)生晶界微裂紋，隨著微裂紋的產(chǎn)生，液態(tài)銅膜開始侵入，液態(tài)富銅相中氧的溶解度較高，隨著銅膜的侵入，奧氏體晶界將逐漸被氧化生成各種氧化產(chǎn)物[6]，沿晶界處入侵的氧到達(dá)基體后，會(huì)與鐵發(fā)生反應(yīng)，并形成氧化物層，厚度會(huì)逐漸增大，并將沿基體向內(nèi)不斷擴(kuò)散，最終形成彌散細(xì)小的氧化物顆粒，從而降低晶界強(qiáng)度，最終導(dǎo)致晶間裂紋貫穿基材。在（1 100～12 00）℃之間，銅的氧化程度最為劇烈，液態(tài)富銅相中氧的溶解度最高，氧的溶解量最大，隨溫度增加，液態(tài)富銅相粘度降低，活性增強(qiáng)，深入奧氏體晶界的液膜狀銅越多，奧氏體晶界被氧化得越嚴(yán)重[7]。如圖3、4所示，在顯微鏡下觀察裂紋區(qū)域，可以清楚的看到裂紋沿奧氏體晶界分布，富銅相沿奧氏體晶界向基體內(nèi)部延伸。圖8是“裂紋區(qū)域”的SEM形貌圖，譜圖點(diǎn)的EDS分析結(jié)果如表3所示，裂紋中元素以氧、銅、鐵元素為主，分析結(jié)果驗(yàn)證了裂紋形成行為推論的準(zhǔn)確性。

表3 EDS測(cè)試結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

圖8 “銅脆”裂紋區(qū)域處的SEM形貌圖

2 解決對(duì)策

“銅、高溫（超過銅熔點(diǎn)）、應(yīng)力（加工應(yīng)力、熱應(yīng)力）”是“銅脆”現(xiàn)象發(fā)生的必備三要素，通過改變四通閥結(jié)構(gòu)，例如四通閥S接管銅襯套爐焊焊圈擺放位置調(diào)整驗(yàn)證，焊圈內(nèi)置改為外置，改善銅焊料量這個(gè)因素。通過改變焊接工藝，例如改變焊接火焰大小、改變焊嘴結(jié)構(gòu)、改變焊接氣體壓力大小、改變焊接姿勢(shì)等，改善高溫和熱應(yīng)力兩個(gè)因素。奧氏體不銹鋼四通閥已在制冷行業(yè)內(nèi)應(yīng)用多年，通過深入分析問題產(chǎn)生的根源，生產(chǎn)過程中規(guī)范焊接工藝，就能從根本上杜絕問題的發(fā)現(xiàn)。

3 結(jié)論

1）由于四通閥的特殊結(jié)構(gòu)，焊接C管時(shí)，S接管喇叭口段產(chǎn)生焊接熱應(yīng)力，S接管銅襯套底部預(yù)埋青銅焊圈，爐焊過程中，融化的焊料堆積在S接管喇叭口段，“銅+高溫+應(yīng)力”構(gòu)成了“銅脆”現(xiàn)象的三要素，導(dǎo)致S接管喇叭口段發(fā)生銅脆開裂失效。

2）結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際條件，從改善銅焊料量、高溫和熱應(yīng)力三個(gè)方面入手，破壞“銅脆”現(xiàn)象必備的三要素，就能從根本上杜絕“銅脆”導(dǎo)致的四通閥開裂問題的發(fā)生。