空調冷凝器管路失效分析及改進

摘 要：空調冷凝器管路失效是空調失效的常見問題之一。本文采用化學、力學、金相、斷口形貌及微觀組織、硬度等分析技術手段論證了客戶端批量性功能失效投訴的失效機理是供應商彎管工具限位裝置緊固失效，并提出了增加工裝定期維保計劃等相應改進方案，經實際驗證有效，對空調行業管路工藝控制產生了借鑒性作用。

關鍵詞：空調管路;鋁合金管;斷裂分析;失效分析;失效改進

中圖分類號：TE965 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）25-0044-04

1 問題分析

空調系統漏液（冷媒泄漏）是家用或工業用空調常見的問題之一。該問題的危害性較大：一是造成環境污染;二是對人體健康有害。因此，只有通過分析找到漏液的根本原因，并進行改進，加以預防和控制，才能杜絕其危害。

曾經客戶投訴某批次140臺基站用精密空調產品中51臺出現異常，是同一批次產品，不良率為36.4%，故障現象為LED工作綠燈亮但壓縮機不啟動、不制冷。正常產品運行時有7～10A電流，但這批140臺產品只有0.7A。拆機進一步檢查可知，均為冷媒泄漏致使壓縮機自動停機保護所致，又發現冷凝器管路進口端折彎處都一致存在沿管壁擴展的徑向裂紋。經核查，該機型冷凝器管路皆為鋁管。由此，分析產品失效的根本原因，根據不良原因制定相應的改善方案。

2 失效件檢查

針對上述問題，團隊決定對失效件進行抽樣，做相關檢查分析。

2.1 檢測方法

用超聲波清洗失效樣件后目視觀察裂紋宏觀形貌，再在樣件斷面附近截取樣品制成金相試樣，根據《金屬顯微組織檢驗方法》（GB/T 13298—2015）[1]進行金相分析，然后依據《體視顯微鏡試驗方法》（GB/T 19863—2005）[2]、《微束分析、能譜法定量分析》（GB/T 17359—2012）[3]實施樣件的微觀組織和表面微區能譜分析，同時另送失效件采用EPA6010C：2007[4]方法進行材料的化學成分分析，并依據《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》（GB/T 228.1—2010）[5]進行力學性能拉伸測試，最后依據《金屬材料維氏硬度試驗第1部分：試驗方法》（GB/T 4340.1—2009）[6]檢測樣件硬度。

2.2 具體檢查

2.2.1 宏觀檢查。對失效件進行目視檢查，發現斷裂位置均在鋁管90°折彎處。此鋁管為冷凝器進口連接壓縮機之用，鋁管從冷凝器出來80mm后迅速折彎轉向90°一直通向空調底部壓縮機一端，長度520mm。裂紋為貫穿型，由彎管外側向內側逐漸延伸擴展。宏觀檢查并沒有發現異常點。失效件宏觀形貌見圖1。

2.2.2 尺寸測量。抽樣對彎管壁厚進行尺寸測量。通過測量可知，最厚位置在彎管內側，最薄位置在彎管外側。最厚位置處壁厚為1.35mm左右，略微超出上公差限1.26mm的要求，最薄位置處壁厚為1.1mm左右，略微低于下公差限1.14mm的標準要求，壁厚平均值為1.23mm，符合公差要求。通過分析數據可知，受拉伸部位偏薄而受擠壓部位偏厚，可見，彎管可能存在過度彎折的工藝問題。

2.2.3 化學成分分析。此款成品冷凝器鋁管選用國標鋁合金牌號3003，根據國標《變形鋁及鋁合金化學成分》（GB/T 3190—1996）[7]，失效件化學成分分析檢測設備為ICP-OES。材料化學成分標準和檢測結果見表1。

結果顯示：失效件成分與要求使用的3003牌號標準成分比對并無顯著差異。

2.2.4 力學性能試驗。對失效件抽樣做力學性能測試，以判定鋁管是否符合《鋁及鋁合金拉（軋）制無縫管》（GB/T 6893—2010）[8]的國家標準，應力速率：10MPa/s。拉伸測試結果見表2，強度-應變曲線見圖2。

通過比較可以看出，失效鋁管力學性能完全滿足國標要求。

2.2.5 金相分析。為了確定鋁管拉制退火工藝是否會造成材料有內在微觀缺陷，委托第三方做了金相切片分析，檢測結果如圖3所示。

通過查閱《有色金屬材料手冊》[9]可知，3003合金主要相應為α（Al）和MnAl6，可能還存在（FeMn）Al6或（FeMnSi）Al6等雜質相，退火后組織為α（Al）固溶體，第二相組成物為α-Al（FeMnSi）或（FeMn）Al6，第二相彌散分布是其典型特征[10]。從圖3中可看出析出點細小均勻，與文獻對第二相分布描述吻合。

2.2.6 斷口形貌及微觀組織分析。形貌分析是觀察斷口微觀組織，明確其產生、發展及斷裂原因的重要手段。借助掃描電子顯微鏡（SEM）觀察到，斷口未見有腐蝕產物堆積。這說明裂紋不是因腐蝕造成的。但是，觀察樣品斷口SEM照片可以發現不同的斷裂特征和機理。

樣品斷口有人字形裂紋，由外向內擴展，此花樣屬于解理斷裂[11]。到供應商彎管加工現場調查發現：兩套彎管工具中有一套緊固裝置保持緊固良好狀態，但另一套因限位裝置緊固松動導致彎管幾何形狀發生變化，過度的折彎就導致彎管位置出現如圖4所示的表面微裂紋。供應商實施檢驗時也發現了輪廓不良現象，但由于并未用相關檢測設備做進一步檢查（僅有目視檢查要求），其當時決定只是對不良產品輪廓度做返工處理，沒有能發現彎管處已經出現了微裂紋。而且未對兩套彎管工具做追溯性識別，導致兩套工具加工的產品混到一起后無法識別，所以無法快速篩選出不良品。

比較正常冷凝器彎管處微觀組織（見圖5）和失效件斷口制樣微觀組織（見圖6）可以發現，其均為受均勻化處理的α固溶體和顆粒狀第二相析出物組織（退火后的確為彌散狀態，與前述文獻描述一致）。

此外，單獨放大析出物做EDS分析，具體結果見圖7至圖10、表3和表4。基體A區域成分為Al、Fe、Mn、Si，析出物內B點成分也是Al、Fe、Mn、Si，區別在于析出物內Fe、Mn、Si等合金元素的含量明顯增加，顯著大于基體中合金元素含量。從分析結果未能發現失效件存在明顯夾雜、偏析等缺陷[12]，可見，原材料到彎管前為止的加工并不存在缺陷。

2.2.7 硬度測試。從失效鋁管金相切片表面選取6個點測量表面維氏硬度（HV0.1，持續時間10s），結果如表5所示。從表5可知，樣件硬度為37.6～40.3，數據分布集中表明該合金固溶處理較好[13]，且全部符合HV=39±5（34～44）的企業標準。

3 失效模式的變異源分析

綜合上述檢查，得出失效原因主要有以下兩方面。

第一，冷凝器供應商彎管工具限位裝置緊固失效導致鋁管在折彎時出現了微裂紋，這使得鋁管裝配成品后壓縮機工作時的變頻、周期性振動導致裂紋逐漸擴展，從而導致鋁管最終斷裂，這是根本原因。

第二，“未對兩套彎管工具做追溯性識別”“供應商無探傷設備”“檢驗方法僅有目視”被確認為是不良品流出原因。

4 結論

針對上述幾點原因，經過與供應商技術人員的現場確認，制定了如下所示的改善方案。

供應商增加了針對所有現場工裝、夾具、模具的定期維保計劃，每日點檢、月度保養、年度保養等結合按不同側重點有層次地實施主動檢查、維護，以便確保今后彎管工具限位裝置緊固不再失效;在工具夾緊塊位置（直線段）增加微小的凸字以便能夠使不同工具加工的彎管得以被有效識別;對于供應商僅有目視檢查的檢測標準，要求其購買探傷設備提升裂紋偵測水平;同時，加強單值-移動極差圖（I-MR）管控，以便確保彎管過程始終處于受控狀態。

供應商改善鋁管工藝后裝配的整機設備經過實驗室極端工況模擬驗證、壽命測試及隨后客戶對改善后產品14個月以上的批量性長期實際使用，未再發現冷凝器進口端鋁管開裂帶來的不制冷問題。這也進一步驗證了失效原因分析及改善措施的正確性。

參考文獻：

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[2]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.體視顯微鏡試驗方法：GB/T 19863—2005[S].北京：中國標準出版社，2006.

[3]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.微束分析能譜法定量分析：GB/T 17359—2012[S].北京：中國標準出版社，2012.

[4] Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry：EPA6010C[S].

[5]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法：GB/T 228.1—2010[S].北京：中國標準出版社，2010.

[6]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.金屬材料維氏硬度試驗第1部分：試驗方法：GB/T 4340.1—2009[S].北京：中國標準出版社，2009.

[7]中華人民共和國技術監督局.變形鋁及鋁合金化學成分：GB/T 3190—1996[S].北京：中國標準出版社，1996.

[8]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.鋁及鋁合金拉（軋）制無縫管：GB/T 6893—2010[S].北京：中國標準出版社，2010.

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