奧氏體不銹鋼四通閥S接管開裂失效分析及對策

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，是制冷設備的核心部件，其主要作用是利用閥芯和閥體間的相對運動，改變制冷劑流動方向，從而實現制冷和制熱的切換。四通閥閥體材料通常為奧氏體304不銹鋼，經調研發現A廠家在生產過程中，四通閥S接管的擴口段與直管段過渡部位（即喇叭口處）經常發生泄露現象，嚴重影響生產效率，影響產品的使用壽命。因此，研究四通閥S接管喇叭口處的開裂行為，明確其開裂機理，并制定相應的解決方案，對制冷行業具有重要的意義。

目前，不銹鋼領域的研究較多，包括研究不同元素成分、不同晶相結構等對不銹鋼的耐腐蝕性能影響，同時針對不銹鋼在特定使用環境下的腐蝕行為機理進行研究，但是針對奧氏體304不銹鋼在釬焊過程中開裂機理的研究鮮有報道。本文以應力腐蝕、含銅雙相鋼“銅脆”現象機理為基礎，結合實際生產工藝條件，詳細闡述了四通閥S接管喇叭口處的開裂機理，并制定了相應的解決方案，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，發現四通閥S接管泄露處變色最為嚴重，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狀斷裂裂紋，內表面位于銅配管下方有一條環向斷裂裂紋（如圖1）。

圖1 泄露部位內表面裂口形貌

將樣品沿切割截面預磨、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，裂紋中未發現夾雜物缺陷（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，發現腐蝕裂紋為沿晶界擴展，晶界形態為一類階梯組織[1]，基體為奧氏體組織，平均晶粒度為3.0級，材料抗晶界腐蝕能力較強（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，熱影響最為嚴重，導致不銹鋼變色嚴重[2]，裂紋處于喇叭口的下邊緣，貫穿壁厚，沿晶界擴展，裂紋中有銅焊料滲入。

1.2 裂紋形成機理研究

1.2.1 四通閥C、S接管基材成分測試

取正常接管與開裂接管檢測材料元素成分及含量，檢測結果如表1所示，均符合標準要求，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。

表1 四通閥C、S接管元素成分及含量

1.2.2 四通閥性能測試分析

對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，觀察結果如表2所示，S接管喇叭口處均未出現裂紋，綜上可知，四通閥來料質量滿足要求。

表2 四通閥S接管性能測試

1.2.3 四通閥配管焊接工藝研究

四通閥的結構如圖5，C、S、E三根接管并排放置，焊接工藝為手工焊，焊接順序為C→S→E，焊接C接管時，火焰焰心會燒在S接管擴口過渡段局部位置，由于擴口部位有內襯銅套，散熱情況要好于擴口過渡段部位（喇叭口處），所以在焰心的灼燒下，S管擴口過渡部位局部溫度會在瞬間迅速上升。實際在焊接時能看到有局部區域迅速呈現黃白色，經實測，溫度約為1 300 ℃。

圖5 四通閥結構剖視圖

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

為進一步確定S接管喇叭口處是否存在焊接熱應力，模擬焊接配管，再現開裂失效。實驗一：采用高溫火焰對不銹鋼喇叭口部位局部進行快速加熱，模擬C管焊接對S接管的影響，至不銹鋼熱態呈黃白色，冷卻后在水檢池中保壓1 MPa，可再現失效，裂紋形貌和位置與其他失效件相同（如圖6、7）。

圖6 重現裂紋形貌

圖7 重現裂紋形貌（100 X）

實驗二：調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，加熱時間30 s，冷卻后在水檢池中保壓1 MPa，未出現失效。將S接管喇叭口段不銹鋼加熱控制至紅色，基體溫度較低，且加熱時間為30 s，溫度均勻，未達到產生熱應力的條件，因此，S接管未出現失效。

實驗三：調整焊槍位置，使用焊槍火焰焰心對S接管喇叭口段整體加熱至黃白色狀態，冷卻后在水檢池中保壓1 MPa，未出現開裂失效。對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，無熱應力產生，因此S接管未出現失效。

實驗四：對擴口加工完成的S接管進行加工應力測試，采用MgCl2應力腐蝕試驗，按試驗方法將試樣煮沸24 h后確認，擴口部位無裂紋，對成品閥同樣方法進行試驗，也沒有發現裂紋?？紤]如果是機加工應力開裂，裂紋方向應是豎直方向（應力方向垂直于形變方向），形貌應該是穿晶開裂，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力。

由于四通閥的特殊結構，焊接C管時，對S接管喇叭口段的熱影響有如下特點，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力，由實驗四可知，S接管不存在加工應力。S接管銅襯套底部預埋青銅焊圈，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”現象的三要素“銅+高溫（超過銅的熔點）+應力（焊接熱應力）”[3][4]，因此，判定四通閥S接管喇叭口段的開裂失效機理為“銅脆”[5]。

1.3 裂紋形成原因及機理分析

S接管基材為奧氏體不銹鋼，奧氏體組織導熱性差，線膨脹系數大，由于四通閥的特殊結構，C接管焊接時對S接管喇叭口段產生溫度高（高于1 300 ℃）、時間短、加熱不均（火焰遮擋）的熱影響，S接管喇叭口段產生溫差熱應力。在高于1 083 ℃的溫度條件下，銅釬料形成液態富銅相，銅原子沿著奧氏體晶界擴展，銅的強度和熔點都比鋼低很多，銅在不銹鋼中沿晶界擴展，削弱了不銹鋼中晶粒與晶粒之間的聯系，晶粒之間聯系弱到一定程度時，在溫差熱應力的作用下，不銹鋼基體產生晶界微裂紋，隨著微裂紋的產生，液態銅膜開始侵入，液態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物[6]，沿晶界處入侵的氧到達基體后，會與鐵發生反應，并形成氧化物層，厚度會逐漸增大，并將沿基體向內不斷擴散，最終形成彌散細小的氧化物顆粒，從而降低晶界強度，最終導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，液態富銅相粘度降低，活性增強，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重[7]。如圖3、4所示，在顯微鏡下觀察裂紋區域，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部延伸。圖8是“裂紋區域”的SEM形貌圖，譜圖點的EDS分析結果如表3所示，裂紋中元素以氧、銅、鐵元素為主，分析結果驗證了裂紋形成行為推論的準確性。

表3 EDS測試結果（質量分數，%）

圖8 “銅脆”裂紋區域處的SEM形貌圖

2 解決對策

“銅、高溫（超過銅熔點）、應力（加工應力、熱應力）”是“銅脆”現象發生的必備三要素，通過改變四通閥結構，例如四通閥S接管銅襯套爐焊焊圈擺放位置調整驗證，焊圈內置改為外置，改善銅焊料量這個因素。通過改變焊接工藝，例如改變焊接火焰大小、改變焊嘴結構、改變焊接氣體壓力大小、改變焊接姿勢等，改善高溫和熱應力兩個因素。奧氏體不銹鋼四通閥已在制冷行業內應用多年，通過深入分析問題產生的根源，生產過程中規范焊接工藝，就能從根本上杜絕問題的發現。

3 結論

1）由于四通閥的特殊結構，焊接C管時，S接管喇叭口段產生焊接熱應力，S接管銅襯套底部預埋青銅焊圈，爐焊過程中，融化的焊料堆積在S接管喇叭口段，“銅+高溫+應力”構成了“銅脆”現象的三要素，導致S接管喇叭口段發生銅脆開裂失效。

2）結合生產實際條件，從改善銅焊料量、高溫和熱應力三個方面入手，破壞“銅脆”現象必備的三要素，就能從根本上杜絕“銅脆”導致的四通閥開裂問題的發生。