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空调制冷铜管“铜铝渗蚀”开裂失效分析

点击:1754 日期:[ 2014-04-26 21:39:47 ]
                   空调制冷铜管“铜铝渗蚀”开裂失效分析                                    眭敏                          (珠海格力电器股份有限公司)     摘 要:空调换热器制冷铜管在安装数月后出现开裂泄漏制冷剂现象。对开裂的管材进行化学成分、力学性能、断口及金相检验分析。结果表明,Al-Cu渗蚀导致铜管底壁变薄,装配、运转应力导致开裂。追踪生产过程,发现火焰自动钎焊工艺中存在的Al-Cu渗蚀现象为铜管底壁变薄主要原因,据此提出相应的有效解决方案。     关键词:空调;制冷;铜管;铜铝渗蚀;高温腐蚀     TP2紫铜管用于铝翅片紫铜管簇换热器(以下简称为“两器”),为制冷空调行业目前普遍采用的制冷换热部件。随着7mm和5mm细径化发展,其成本优势更为展现,同时兼备生产效率高、热传导性能好、耐腐蚀能力佳等优势,在制冷空调行业依然广泛应用。但原材料、工艺结构等导致的失效问题依然存在,如加工过程发生的个别“铜铝腐蚀”导致失效的问题。     笔者所用的失效件为两器用内螺纹铜管,铜管牌号为TP2,状态为M,规格为9.52×0.340+0.17-70-18(外径×名义壁厚+齿高-齿条数-螺旋角),泄漏位置为焊接热影响区的铜管与铝箔胀接结合对应位置,如图1所示。     1 理化检验     1.1 化学成分分析     对失效铜管取样进行化学成分分析,结果表明原材料中各成分的质量分数符合GB/T5231—2001[1]的要求。                    1.2 力学性能试验     对失效铜管取样进行力学性能检测的结果与GB/T20928—2007[2]要求相符。     1.3 断口检验     铜管体表面存在焊接热影响区熔融后凝固的铝箔,裂口位于熔融铝痕迹中心,基本与之重合,其他位置未见扩展,如图2所示。                   1.4 金相检验     在开裂处取样,经镶嵌、研磨、抛光并且侵蚀后,在显微镜下可见裂纹附近存在明显的腐蚀凹坑,凹坑边缘组织为退火态孪晶,说明凹坑产生原因为非机械外力,裂纹产生于凹坑减壁明显处,裂断处存在轻微晶粒变形,如图3所示。                    2·“铜铝渗蚀”原理及单因子试验回归分析     据相关资料[3-4],在高温过程中,Al会扩散入Cu基体形成固溶体。固溶体具有较高硬度,较低热膨胀系数。固溶体的力学性质及膨胀系数差异应是产生裂纹的主要原因。为此对胀接好铝箔后的铜管进行高温下放置模拟验证试验,观察“铜铝渗蚀”层深度随温度、时间的变化情况,发现550℃以下10min时间以内,“铜铝渗蚀”情况就变得很轻微或基本不存在了。     单因子试验回归分析过程如下:因焊接时间为10min左右,该参数固定不变,笔者进行单因子试验的目的是希望建立响应变量(“铜铝渗蚀”深度)与因子(保温温度)之间的回归关系(即函数关系),步骤如下:     1)不同保温温度下保温10min和金相测量“铜铝渗蚀”深度试验结果见表1。                   2)对结果采取MINITAB(统计工具软件)单因子方差分析,判断因子显著性,结果:P=0.000远远小于0.05,说明因子显著影响响应变量。                   3)运用MINITAB进行回归分析,结果如图4和图5所示。     回归分析:THICK与TEMP     回归方程为     THICK=-0.953 3 + 0.001 874×TEMP     S(残差误差)=0.042 934 7     R-Sq(相关系数)=95.4%     R-Sq(调整)=94.8%     表3为回归方程显著性检验(方差分析)表。                   从分析结果可见:P值远小于0.05,且R2数值为95.4%(接近1),证明线性模型已能很好拟合。                4)回归残差正态性检验结果符合正态性要求,证明回归曲线已经可以很好“模拟”现实。     3 结论     1) TP2紫铜内螺纹无缝铜管开裂属于焊接工艺过程发生“铜铝渗蚀”减壁以及随后装配工序等受机械外力共同作用的结果。通过验证试验“模拟”分析,温度控制在514℃以下能够确保“渗蚀”减壁控制在0.01mm以下。     2)因焊接过程不可避免会产生热影响区,通过红外线测温控制焊点附近铝箔胀接位置的温度在510℃以下,主要方法为调整两器结构、增加焊接工艺挡板等。通过上述控制后加工过程未再出现“铜铝渗蚀”导致开裂泄漏现象。     参考文献     [1] GB/T5231—2001加工铜及铜合金化学成分和产品形状.     [2] GB/T20928—2007无缝内螺纹铜管.     [3] 董详国,何红媛.纯铜深层渗铝工艺的研究.表面技术,1999,28(1):9-10.     [4] 刘德宝,刘双进,崔春翔.添加铝对AINpICu复合材料组织与热性能的影响.材料热处理学报,2007,28(2):7-10.
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