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，銅管內流質為水，通過螺紋活接頭與外界水管連接；經檢查，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，從材質分析、加工工藝分析及結構受力分析三方面入手，進行問題徹底排查。

1.1 材質測試分析

1）材質分析

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，實測黃銅接頭化學成分如圖3，主要元素成分均符合鉛黃銅HPb59-1 標準的要求，說明原材料材質本身無問題。

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，橫向環圓周擴展開裂，觀察斷口表面已明顯氧化發黑，與其它區域顏色存在差異，斷裂線平滑，非長期疲勞斷裂，判斷應為受力后脆性斷裂[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，排除材質應力導致斷裂，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象，說焊接高溫過程對材料材質有很大的影響。如圖4（b）、（c）。

因此接頭主要為晶界組織出現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，強受力使用產生脆性斷裂。

1.2 加工工藝

核查該款產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（30～50 mm）可能會存在清潔度和內部致密度結構松散不良現象，對成品質量產生影響。

黃銅接頭與紫銅管的焊接采用銅磷焊料進行焊接，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，導致焊縫效果會略差，焊接溫度高；同時發現預留焊縫間隙小，焊料流動差，部分成品焊料未能完全滲透（如圖5）；據調查，生產過程中也存在多次焊接的過燒情況，會使材料晶粒變大，材質變脆。

圖5 焊接情況

1.3 結構及受力分析

結構檢查分析，套管接頭的黃銅套環壁厚只有1.2 mm，相比于接頭整體，此處過于單薄；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，應力最大點數值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險；而同樣情況下，如果將黃銅接頭套環加厚至2.9 mm進行模擬分析，應力最大處可下降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構設計偏弱導致，針對此兩點因素，在加工工藝和結構設計方面做如下改善：

1）改善加工焊接質量，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調整黃銅件的配件焊接結構，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 黃銅接頭結構調整

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，批量物料進行0～1.5 MPa 焊接緊固進行脈沖試驗抽測。

2）針對銅接頭套環壁厚過薄的情況，調整接頭的結構，增加套環材料壁厚至2.9 mm，保證螺紋擰緊時材料所受應力減少。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力集中，造成材料受損。

3 售后使用情況

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

表1 套管整改前后數據對比

4 結論

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