發動機EGR波紋管失效原因分析

杜雄雄

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州545005）

0 引言

某汽油機的EGR波紋管的一端法蘭（圖1左側）連接排氣歧管4個歧管的匯合處，另外一端法蘭（圖1右側）與冷卻器連接。EGR波紋管是由兩處法蘭、一處活動支架、一處整體成型的圓管波紋管組成。波紋管采用機械脹波工藝，圓管與兩處法蘭通過釬焊連接（見圖1）。該結構的EGR波紋管在發動機耐久臺架試驗過程中出現了兩處斷裂，斷裂的位置分別為：首次出現的斷裂位置在波紋管的波峰處，當波峰處的斷裂改善后，新的斷裂位置出現在圓管與法蘭的焊接處。影響波紋管的因素包括：管路布置、使用環境、材質、制造工藝、波形參數、制造精度、裝配偏差等。本文將按以上因素對兩處斷裂進行分析，找出斷裂的根本原因，并提出簡單可行的改善方案。

圖1 EGR波紋管的布置結構

1 問題一描述

發動機耐久臺架試驗過程中，3件相同狀態的EGR波紋管出現斷裂的時間分別為：63 h、59 h、69 h，首次出現斷裂的位置（見圖2）都位于靠近排氣歧管4個歧管的匯合處一側波紋管的波峰處。

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階，也有少部分斷面對碰而呈坦亮態，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，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 材質分析

EGR波紋管在發動機工作的工況為進氣溫度450℃，出氣溫度320℃，材料耐熱溫度-40℃ ～850℃。由于發動機廢氣具有較強的腐蝕性，其材質還需要具有較強的耐腐蝕性能[1]，因此EGR波紋管材料選用常見的SUS321，對改善晶間腐蝕傾向更優異于SUS304，在高溫工作時具有足夠的熱穩定性，并能夠承受最大的工作壓力，所以材料的力學性能、耐腐蝕性、耐熱性、耐壓性不是導致斷裂的原因。

2.4 制造工藝

EGR波紋管在制造工藝上采用先脹波后釬焊，相對先釬焊后脹波的制造工藝，后者疲勞強度強度提升為前者的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行優化。

2.5 優化前的波形參數

波形參數對波紋管各項性能影響很大，其中波深系數是決定波紋管幾何形狀的一個重要參數，通常用波深系數K來表示，K=D/(D-2h)，EGR波紋管波深系數K=1.3～1.5，波紋管較容易成形。K值越大，波高h越大，允許的位移越大，剛度越小、越容易出現失穩，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，補償能力較好，因此得到廣泛應用。優化前的波形結構見圖5，優化前的波形參數見表1。

②預制混凝土板:預制混凝土板要平整，嚴格按照設計及相關規范要求施工，坡面誤差不得大于±0.5 cm，板下嚴禁用小石子、中粗砂找平；板與板之間縫控制在1.5～2.5 cm之間。

圖5 優化前的波紋管結構（mm）

表1 優化前的波形參數

2.6 理論分析

疲勞斷裂的斷口起源一般在受應力較大的部位，分析其波形參數，波峰外壁圓角半徑小于波谷，容易在波峰處產生應力集中。此外波紋管波距較小，柔性越好，補償性能也就越好，但是剛度較小，容易使波紋管在發動機的交變應力下出現振動疲勞，從而在應力集中的波峰處出現斷裂[2]。

2.6.1 軸向彈性剛度

軸向彈性剛度是評價波紋管性能的重要指標，剛度小，產生的橫向位移也較大。當橫向位移超過波紋管振動所產生的最大位移時會出現結構失效。波紋管的軸向彈性剛度是以單波軸向彈性剛度為基準計算的，計算公式[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n、波高h、修正系數Cf有關。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系

根據質量守恒，波紋管成形前后壁厚變化關系如下：

其中：

簡化得：

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

2.6.3 第一次優化后的波形參數

根據式（1）和（2），增加成型后的管壁厚 δp，軸向彈性剛度會變大，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。第一次優化后的波形參數見表2。

表2 第一次優化后的波形參數

3 問題二描述

按第一次優化后的波形參數制作新的樣件，并進行發動機臺架耐久試驗，第1件運行至38 h，在靠近冷卻器一側的EGR波紋管與法蘭焊接處出現斷裂，重新更換相同狀態的樣件，第2件運行至45 h和第1件在相同的位置出現了斷裂（見圖6），而原來在波紋管的波峰處沒有出現斷裂。

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，沒有小臺階與疲勞紋，部分區域有磨刮痕跡，屬應力過載斷裂。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，斷口處部分沿晶界斷。多數情況下沿晶斷裂屬于脆性斷裂，應降低金屬表面的殘余拉應力，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，在裝配時產生較大的裝配應力；焊接部位存在較大缺陷，制造工藝為釬焊前在法蘭結合處先用電弧焊點三個焊點，焊點存在缺陷時，會使缺陷處的強度大幅降低，容易成為裂紋的起源位置。從斷口分析來看，該處承受較大的應力，圓管的強度低，在振動下產生的位移大于管的壁厚而出現撕裂。

5 優化設計

增加圓管管坯壁厚，提高圓管的強度，減小過載斷裂的風險。

5.1 優化設計方案

由改進前的一體式波紋結構更改為分段式結構，制造工藝由改進前的整體成型更改為單獨成型，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，通過釬焊將三者焊接在一起（見圖 9）。

圖9 優化后的圓管與波紋管結構

5.2 優化波形參數

在滿足EGR管進氣流量的前提下，保持圓管內徑d不變，增大波紋管內徑Db和外徑D，減小波深系數K值，提高EGR管整體強度和剛度。第二次優化后的波形參數見表3。

表3 第二次優化后的波形參數

5.3 改進焊接工藝

取消釬焊前在法蘭結合處先用電弧焊點三個焊點的工藝，改進為脹管工藝，即通過脹管后與法蘭孔過盈配合，再進行高溫釬焊。

6 試驗驗證

第二次優化完成后的EGR波紋管在發動機臺架上通過了570 h的耐久試驗，滿足設計目標。

7 結束語

發動機對于用EGR波紋管連接振動位移較大的兩個零件時，在設計EGR波紋管時不能僅考慮其補償性，需充分評估其在制造精度、裝配偏差的基礎上適當提高波紋管的剛度，提升整體波紋管的強度，減小振動疲勞對波紋管的破壞，提高安全系數，滿足耐久試驗的要求。本文提出的改善方案對類似EGR波紋管的優化設計提供了借鑒和可行的理論依據。