某型流體連接器漏液失效分析及啟示

趙銳敏

(中國電子科技集團公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

1 引言

隨著裝備的技術發展，流體連接器在雷達、通信、導航等裝備液體冷卻系統中的使用越來越廣泛，已成為裝備液冷系統關鍵元件。流體連接器是一種能實現管路流體連通或斷開的連接器，由插頭和插座兩部分組成，插頭和插座各相當于一個單向閥，未插入時，單向閥關閉，插頭和插座處于自密封狀態，管路中的液體不能流出；插頭推入插座時，彈簧被壓縮，插頭和插座的閥芯被推開，管路連通，流體便可以流通。流體連接器漏液失效，輕者會引起裝備溫度升高，影響裝備正常運行，重者將會燒毀裝備，引發重大質量與安全事故。

2 失效現象描述

2019年12月，接用戶質量信息反饋：用戶某裝備冷卻系統在注液試運行過程中，發生漏液現象。經我們和用戶兩方技術人員現場勘查，發現流體連接器插頭殼體開裂，裂紋呈軸向，裂紋貫穿插頭殼體錐面，其形貌如圖1所示。雙方確認泄漏原因是流體連接器殼體開裂所致。

3 故障定位

3.1 產品概述

該型號流體連接器采用螺旋槽式卡口鎖緊系統，連接器結構示意如圖2所示。由插頭殼體1、閥體2、連接套3、閥芯4、彈簧5、O型密封圈6和7組成。流體連接器插頭殼體材料為7A09鋁合金，表面處理工藝為硬質陽極氧化。安裝使用時，插頭殼體60°內錐面與連接軟管的球面形成金屬直接接觸密封。

圖1 某型流體連接器開裂位置示意圖

圖2 某型流體連接器結構示意圖

3.2 殼體開裂故障樹

根據流體連接器結構組成、安裝方式和服役情況，結合流體連接器生命周期歷程，我們從流體連接器插頭殼體原材料、加工、安裝、使用的過程進行分析。造成流體連接器插頭殼體開裂漏液的主要因素有：殼體材料本身存在裂紋、殼體零件加工過程中產生裂紋、連接器安裝時造成開裂、應力腐蝕開裂等幾個方面，據此建立故障樹，如圖3所示。

3.3 故障分析

3.3.1 殼體零件材料本身存在裂紋因素分析X1

圖3 故障樹

該流體連接器插頭殼體所用材料為超硬鋁合金7A09-T6，熱處理狀態為T6態。我們復查材料采購檢驗記錄，生產廠家出具的產品質量證明書，該批次材料的技術指標符合GB/T3191-2010，化學成分符合GB/T3190-2008，無過燒等異常現象，該批次材料外觀質量合格。我們對庫存同批次材料進行復檢，重點檢查表面質量、雜質縮尾、熱處理過程過燒等，該批次材料合格，無異常現象。

綜上分析：可以排除插頭殼體零件材料本身存在裂紋因素(X1)。

3.3.2 插頭殼體零件加工過程中產生裂紋因素分析X2

插頭殼體零件生產加工過程中可能導致開裂，主要因素包括機械加工和表面處理兩個方面。

(1)機械加工X2-1

插頭殼體機械加工工藝流程如下：備料-車-檢-銑-檢-表面處理。從加工工藝過程來看，機加工主要為車、銑工序，工藝編制合理。7A09材料具有良好的切削性能，采用精密數控機床加工過程僅會產生一定的殘余應力，不會導致母材開裂，復查零件檢驗記錄，未發現裂紋記載。進一步檢查機加工殘余應力的影響，采用數字式顯微硬度計分別對零件原材料和機加工后的零件進行了基體材料硬度測試，測試結果殘余應力略有增加，未見明顯異常。故可以排除插頭殼體零件機械加工過程產生裂紋因素(X2-1)。

(2)表面處理X2-2

插頭殼體表面處理工藝流程如下：鋁零件-除油-清洗-酸洗-清洗-中和-清洗-硬質陽極氧化-清洗-封閉-檢驗。表面處理采取的是硫酸法硬質陽極氧化，硬質陽極氧化是基體金屬本身在硫酸溶液和電場作用下發生氧化形成氧化膜的過程。進一步檢驗表面處理殘余應力的影響，對機加工后的和氧化后的零件采用數字式顯微硬度計分別進行了基體材料硬度測試，測試結果應力基本一致，未見明顯異常。

查插頭殼體零件表面處理工序后檢查報告，未發現可見裂紋記錄。查裝產品配前的零件檢驗報告，未發現有裂紋記錄。依據《某型流體連接器詳細規范》，流體連接器出廠前外觀和漏率是100%檢驗，均未有裂紋和泄露記載。對插頭殼體裂紋斷面形貌觀察分析，如圖4(a)所示，斷口邊緣氧化膜厚度均勻、分布連續，裂紋斷面無氧化膜覆蓋，據此可判定殼體裂紋萌生于表面處理工序之后。可以排除表面處理過程產生裂紋(X2-2)。

(a)裂紋斷面形貌 (b)裂紋形貌

綜合X2-1和X2-2分析，可以排除插頭殼體零件加工過程產生裂紋因素(X2)。

3.3.3 流體連接器安裝力矩造成開裂因素分析X3

根據產品規范要求，連接器安裝時在軟管連接螺母上施加30 N·m的擰緊力矩，連接器60°內錐面受到軟管上球頭擠壓，使得球頭和錐面之間形成一個環狀的密封面，通過緊密接觸實現密封。安裝力矩過大，可能會導致錐面處擠壓開裂，我們通過施加安裝力矩試驗進行分析。我們取50只同批次插頭殼體零件，用力矩扳手先施加力矩30N·m，檢查50只均未開裂；繼續施加力矩45 N·m 、55 N·m；仍未發現殼體開裂。取其中的2只施加力矩直至插頭殼體從螺紋根部擰斷，也未發現錐面開裂。試驗證明插頭殼體開裂不是由安裝力矩過大導致的。

綜上分析，可以排除流體連接器安裝導力矩致插頭殼體面開裂因素(X3)。

3.3.4 應力腐蝕開裂因素分析X4

(1)應力腐蝕敏感材料因素分析X4-1

插頭殼體原材料為7A09鋁合金，原材料時效是主要熱處理工藝，大致分為3類：峰值時效(T6態)、欠時效和過時效(T73態)。原材料在T6峰值時效狀態下，合金具有很強的應力腐蝕敏感性。7A09-T6屬于應力腐蝕敏感性材料，具有在應力、腐蝕介質條件下產生應力腐蝕現象，故不能排除因素X4-1。

(2)應力條件因素分析X4-2

連接器插頭殼體安裝時，通過對連接螺母施加30 N·m的擰緊力矩完成安裝，連接器插頭殼體60°錐面承受安裝應力，因此插頭殼體在安裝使用后存在應力環境條件。除此之外，插頭殼體同時還受到彈簧和閥體對插頭殼體的作用力。通過計算彈簧對插頭殼體產生的拉應力分量可以忽略不計。閥體對插頭殼體的應力為壓應力，在殼體錐面上無拉應力分量。

在應力影響因素中，鋁合金只有受足夠大的拉伸應力時才會發生應力腐蝕開裂。研究發現，在與軋制方向成 45°角的加載方向合金應力腐蝕最敏感，其次是90°角的加載方向，而與軋制方向成0°角的加載方向合金應力腐蝕最不敏感。插頭殼體安裝使用過程中，存在與材料軋制方向成60°角方向上安裝力矩應力，應力值為67.5MPa。因此，插頭殼體安裝使用過程中存在應力腐蝕的拉應力狀態敏感條件因素，故不能排除(X4-2)。

(3)應力腐蝕介質條件因素分析X4-3

圖5 腐蝕斷面掃描電鏡分析結果

圖6 機械撕裂斷面掃描電鏡分析結果

3.4 故障定位結果

4 機理分析

5 問題復現

表1 復現試驗

本試驗可以證明對流體連接器殼體漏液根本原因是插頭殼體應力腐蝕開裂所致。

6 結束語

流體連接器漏液失效，發生應力腐蝕失效需要經過較長時間，同時需要滿足應力腐蝕發生的三個要素條件，具有復雜性、隱蔽性等特點。這些特點和要素啟示我們在產品設計時，需要綜合考慮結構設計、表面處理工藝、金屬材料特性和產品應用安裝環境等綜合因素，避免應力腐蝕情況的發生，保證產品可靠性。