某型流体连接器漏液失效分析及启示

赵锐敏

(中国电子科技集团公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

1 引言

随着装备的技术发展，流体连接器在雷达、通信、导航等装备液体冷却系统中的使用越来越广泛，已成为装备液冷系统关键元件。流体连接器是一种能实现管路流体连通或断开的连接器，由插头和插座两部分组成，插头和插座各相当于一个单向阀，未插入时，单向阀关闭，插头和插座处于自密封状态，管路中的液体不能流出；插头推入插座时，弹簧被压缩，插头和插座的阀芯被推开，管路连通，流体便可以流通。流体连接器漏液失效，轻者会引起装备温度升高，影响装备正常运行，重者将会烧毁装备，引发重大质量与安全事故。

2 失效现象描述

2019年12月，接用户质量信息反馈：用户某装备冷却系统在注液试运行过程中，发生漏液现象。经我们和用户两方技术人员现场勘查，发现流体连接器插头壳体开裂，裂纹呈轴向，裂纹贯穿插头壳体锥面，其形貌如图1所示。双方确认泄漏原因是流体连接器壳体开裂所致。

3 故障定位

3.1 产品概述

该型号流体连接器采用螺旋槽式卡口锁紧系统，连接器结构示意如图2所示。由插头壳体1、阀体2、连接套3、阀芯4、弹簧5、O型密封圈6和7组成。流体连接器插头壳体材料为7A09铝合金，表面处理工艺为硬质阳极氧化。安装使用时，插头壳体60°内锥面与连接软管的球面形成金属直接接触密封。

图1 某型流体连接器开裂位置示意图

图2 某型流体连接器结构示意图

3.2 壳体开裂故障树

根据流体连接器结构组成、安装方式和服役情况，结合流体连接器生命周期历程，我们从流体连接器插头壳体原材料、加工、安装、使用的过程进行分析。造成流体连接器插头壳体开裂漏液的主要因素有：壳体材料本身存在裂纹、壳体零件加工过程中产生裂纹、连接器安装时造成开裂、应力腐蚀开裂等几个方面，据此建立故障树，如图3所示。

3.3 故障分析

3.3.1 壳体零件材料本身存在裂纹因素分析X1

图3 故障树

该流体连接器插头壳体所用材料为超硬铝合金7A09-T6，热处理状态为T6态。我们复查材料采购检验记录，生产厂家出具的产品质量证明书，该批次材料的技术指标符合GB/T3191-2010，化学成分符合GB/T3190-2008，无过烧等异常现象，该批次材料外观质量合格。我们对库存同批次材料进行复检，重点检查表面质量、杂质缩尾、热处理过程过烧等，该批次材料合格，无异常现象。

综上分析：可以排除插头壳体零件材料本身存在裂纹因素(X1)。

3.3.2 插头壳体零件加工过程中产生裂纹因素分析X2

插头壳体零件生产加工过程中可能导致开裂，主要因素包括机械加工和表面处理两个方面。

(1)机械加工X2-1

插头壳体机械加工工艺流程如下：备料-车-检-铣-检-表面处理。从加工工艺过程来看，机加工主要为车、铣工序，工艺编制合理。7A09材料具有良好的切削性能，采用精密数控机床加工过程仅会产生一定的残余应力，不会导致母材开裂，复查零件检验记录，未发现裂纹记载。进一步检查机加工残余应力的影响，采用数字式显微硬度计分别对零件原材料和机加工后的零件进行了基体材料硬度测试，测试结果残余应力略有增加，未见明显异常。故可以排除插头壳体零件机械加工过程产生裂纹因素(X2-1)。

(2)表面处理X2-2

插头壳体表面处理工艺流程如下：铝零件-除油-清洗-酸洗-清洗-中和-清洗-硬质阳极氧化-清洗-封闭-检验。表面处理采取的是硫酸法硬质阳极氧化，硬质阳极氧化是基体金属本身在硫酸溶液和电场作用下发生氧化形成氧化膜的过程。进一步检验表面处理残余应力的影响，对机加工后的和氧化后的零件采用数字式显微硬度计分别进行了基体材料硬度测试，测试结果应力基本一致，未见明显异常。

查插头壳体零件表面处理工序后检查报告，未发现可见裂纹记录。查装产品配前的零件检验报告，未发现有裂纹记录。依据《某型流体连接器详细规范》，流体连接器出厂前外观和漏率是100%检验，均未有裂纹和泄露记载。对插头壳体裂纹断面形貌观察分析，如图4(a)所示，断口边缘氧化膜厚度均匀、分布连续，裂纹断面无氧化膜覆盖，据此可判定壳体裂纹萌生于表面处理工序之后。可以排除表面处理过程产生裂纹(X2-2)。

(a)裂纹断面形貌 (b)裂纹形貌

综合X2-1和X2-2分析，可以排除插头壳体零件加工过程产生裂纹因素(X2)。

3.3.3 流体连接器安装力矩造成开裂因素分析X3

根据产品规范要求，连接器安装时在软管连接螺母上施加30 N·m的拧紧力矩，连接器60°内锥面受到软管上球头挤压，使得球头和锥面之间形成一个环状的密封面，通过紧密接触实现密封。安装力矩过大，可能会导致锥面处挤压开裂，我们通过施加安装力矩试验进行分析。我们取50只同批次插头壳体零件，用力矩扳手先施加力矩30N·m，检查50只均未开裂；继续施加力矩45 N·m 、55 N·m；仍未发现壳体开裂。取其中的2只施加力矩直至插头壳体从螺纹根部拧断，也未发现锥面开裂。试验证明插头壳体开裂不是由安装力矩过大导致的。

综上分析，可以排除流体连接器安装导力矩致插头壳体面开裂因素(X3)。

3.3.4 应力腐蚀开裂因素分析X4

(1)应力腐蚀敏感材料因素分析X4-1

插头壳体原材料为7A09铝合金，原材料时效是主要热处理工艺，大致分为3类：峰值时效(T6态)、欠时效和过时效(T73态)。原材料在T6峰值时效状态下，合金具有很强的应力腐蚀敏感性。7A09-T6属于应力腐蚀敏感性材料，具有在应力、腐蚀介质条件下产生应力腐蚀现象，故不能排除因素X4-1。

(2)应力条件因素分析X4-2

连接器插头壳体安装时，通过对连接螺母施加30 N·m的拧紧力矩完成安装，连接器插头壳体60°锥面承受安装应力，因此插头壳体在安装使用后存在应力环境条件。除此之外，插头壳体同时还受到弹簧和阀体对插头壳体的作用力。通过计算弹簧对插头壳体产生的拉应力分量可以忽略不计。阀体对插头壳体的应力为压应力，在壳体锥面上无拉应力分量。

在应力影响因素中，铝合金只有受足够大的拉伸应力时才会发生应力腐蚀开裂。研究发现，在与轧制方向成 45°角的加载方向合金应力腐蚀最敏感，其次是90°角的加载方向，而与轧制方向成0°角的加载方向合金应力腐蚀最不敏感。插头壳体安装使用过程中，存在与材料轧制方向成60°角方向上安装力矩应力，应力值为67.5MPa。因此，插头壳体安装使用过程中存在应力腐蚀的拉应力状态敏感条件因素，故不能排除(X4-2)。

(3)应力腐蚀介质条件因素分析X4-3

图5 腐蚀断面扫描电镜分析结果

图6 机械撕裂断面扫描电镜分析结果

3.4 故障定位结果

4 机理分析

5 问题复现

表1 复现试验

本试验可以证明对流体连接器壳体漏液根本原因是插头壳体应力腐蚀开裂所致。

6 结束语

流体连接器漏液失效，发生应力腐蚀失效需要经过较长时间，同时需要满足应力腐蚀发生的三个要素条件，具有复杂性、隐蔽性等特点。这些特点和要素启示我们在产品设计时，需要综合考虑结构设计、表面处理工艺、金属材料特性和产品应用安装环境等综合因素，避免应力腐蚀情况的发生，保证产品可靠性。