奥氏体不锈钢四通阀S接管开裂失效分析及对策

陈昌中 陶 云 王成根

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

四通阀，是制冷设备的核心部件，其主要作用是利用阀芯和阀体间的相对运动，改变制冷剂流动方向，从而实现制冷和制热的切换。四通阀阀体材料通常为奥氏体304不锈钢，经调研发现A厂家在生产过程中，四通阀S接管的扩口段与直管段过渡部位（即喇叭口处）经常发生泄露现象，严重影响生产效率，影响产品的使用寿命。因此，研究四通阀S接管喇叭口处的开裂行为，明确其开裂机理，并制定相应的解决方案，对制冷行业具有重要的意义。

目前，不锈钢领域的研究较多，包括研究不同元素成分、不同晶相结构等对不锈钢的耐腐蚀性能影响，同时针对不锈钢在特定使用环境下的腐蚀行为机理进行研究，但是针对奥氏体304不锈钢在钎焊过程中开裂机理的研究鲜有报道。本文以应力腐蚀、含铜双相钢“铜脆”现象机理为基础，结合实际生产工艺条件，详细阐述了四通阀S接管喇叭口处的开裂机理，并制定了相应的解决方案，彻底解决了四通阀S接管开裂泄露问题。

1 开裂失效样件分析

1.1 裂口形貌分析

将A厂家的四通阀不良品在水检池中保压1 MPa，发现四通阀S接管泄露处变色最为严重，切取S接管泄漏部位的试样，置于体视显微镜下观察，泄漏处外表面可见环状断裂裂纹，内表面位于铜配管下方有一条环向断裂裂纹（如图1）。

图1 泄露部位内表面裂口形貌

将样品沿切割截面预磨、抛光后在显微镜下观察，位于S接管喇叭口处有一条贯穿管壁的裂纹。在100 X显微镜下观察，可见裂纹中有黄色的焊料存在，裂纹中未发现夹杂物缺陷（如图2）。

图2 S接管裂纹形貌（100 X）

将裂纹端样品用10 %草酸溶液，电流密度1 A/cm2，电解腐蚀90 s，在200 X显微镜下观察，发现腐蚀裂纹为沿晶界扩展，晶界形态为一类阶梯组织[1]，基体为奥氏体组织，平均晶粒度为3.0级，材料抗晶界腐蚀能力较强（如图3、4）。

图3 腐蚀裂纹（100 X）

图4 局部裂纹形貌

四通阀S接管喇叭口处于四通阀C接管焊接火焰影响区，热影响最为严重，导致不锈钢变色严重[2]，裂纹处于喇叭口的下边缘，贯穿壁厚，沿晶界扩展，裂纹中有铜焊料渗入。

1.2 裂纹形成机理研究

1.2.1 四通阀C、S接管基材成分测试

取正常接管与开裂接管检测材料元素成分及含量，检测结果如表1所示，均符合标准要求，且两者元素含量差异较小，综上可知，四通阀S接管喇叭口处开裂与成分差异无关。

表1 四通阀C、S接管元素成分及含量

1.2.2 四通阀性能测试分析

对成品四通阀高压冲击10次、S接管压装上限压力后，显微镜下观察S接管喇叭口处状态，观察结果如表2所示，S接管喇叭口处均未出现裂纹，综上可知，四通阀来料质量满足要求。

表2 四通阀S接管性能测试

1.2.3 四通阀配管焊接工艺研究

四通阀的结构如图5，C、S、E三根接管并排放置，焊接工艺为手工焊，焊接顺序为C→S→E，焊接C接管时，火焰焰心会烧在S接管扩口过渡段局部位置，由于扩口部位有内衬铜套，散热情况要好于扩口过渡段部位（喇叭口处），所以在焰心的灼烧下，S管扩口过渡部位局部温度会在瞬间迅速上升。实际在焊接时能看到有局部区域迅速呈现黄白色，经实测，温度约为1 300 ℃。

图5 四通阀结构剖视图

综上分析，由于焊接C管时，对S接管扩口过渡部位（喇叭口处）的加热迅速而集中，所以会造成焊接热应力，同时考虑失效件的裂纹形貌也与典型的热应力沿晶裂纹相同，所以存在焊接热应力的可能性较大。

为进一步确定S接管喇叭口处是否存在焊接热应力，模拟焊接配管，再现开裂失效。实验一：采用高温火焰对不锈钢喇叭口部位局部进行快速加热，模拟C管焊接对S接管的影响，至不锈钢热态呈黄白色，冷却后在水检池中保压1 MPa，可再现失效，裂纹形貌和位置与其他失效件相同（如图6、7）。

图6 重现裂纹形貌

图7 重现裂纹形貌（100 X）

实验二：调整焊枪位置与气流量，控制S接管喇叭口段不锈钢烧至红色，不到黄白色程度，加热时间30 s，冷却后在水检池中保压1 MPa，未出现失效。将S接管喇叭口段不锈钢加热控制至红色，基体温度较低，且加热时间为30 s，温度均匀，未达到产生热应力的条件，因此，S接管未出现失效。

实验三：调整焊枪位置，使用焊枪火焰焰心对S接管喇叭口段整体加热至黄白色状态，冷却后在水检池中保压1 MPa，未出现开裂失效。对S接管喇叭口段整体加热，S接管喇叭口段温升均匀，基体各部分膨胀率一致，无热应力产生，因此S接管未出现失效。

实验四：对扩口加工完成的S接管进行加工应力测试，采用MgCl2应力腐蚀试验，按试验方法将试样煮沸24 h后确认，扩口部位无裂纹，对成品阀同样方法进行试验，也没有发现裂纹。考虑如果是机加工应力开裂，裂纹方向应是竖直方向（应力方向垂直于形变方向），形貌应该是穿晶开裂，而失效件的裂纹为水平方向，形貌为沿晶裂纹，所以可以排除加工应力。

由于四通阀的特殊结构，焊接C管时，对S接管喇叭口段的热影响有如下特点，温度高（高于1 300 ℃）、加热速度快、加热不均匀，因此S接管喇叭口段存在焊接热应力，由实验四可知，S接管不存在加工应力。S接管铜衬套底部预埋青铜焊圈，炉焊过程中，融化的焊料堆积在S接管喇叭口段，S接管喇叭口段满足了“铜脆”现象的三要素“铜+高温（超过铜的熔点）+应力（焊接热应力）”[3][4]，因此，判定四通阀S接管喇叭口段的开裂失效机理为“铜脆”[5]。

1.3 裂纹形成原因及机理分析

S接管基材为奥氏体不锈钢，奥氏体组织导热性差，线膨胀系数大，由于四通阀的特殊结构，C接管焊接时对S接管喇叭口段产生温度高（高于1 300 ℃）、时间短、加热不均（火焰遮挡）的热影响，S接管喇叭口段产生温差热应力。在高于1 083 ℃的温度条件下，铜钎料形成液态富铜相，铜原子沿着奥氏体晶界扩展，铜的强度和熔点都比钢低很多，铜在不锈钢中沿晶界扩展，削弱了不锈钢中晶粒与晶粒之间的联系，晶粒之间联系弱到一定程度时，在温差热应力的作用下，不锈钢基体产生晶界微裂纹，随着微裂纹的产生，液态铜膜开始侵入，液态富铜相中氧的溶解度较高，随着铜膜的侵入，奥氏体晶界将逐渐被氧化生成各种氧化产物[6]，沿晶界处入侵的氧到达基体后，会与铁发生反应，并形成氧化物层，厚度会逐渐增大，并将沿基体向内不断扩散，最终形成弥散细小的氧化物颗粒，从而降低晶界强度，最终导致晶间裂纹贯穿基材。在（1 100～12 00）℃之间，铜的氧化程度最为剧烈，液态富铜相中氧的溶解度最高，氧的溶解量最大，随温度增加，液态富铜相粘度降低，活性增强，深入奥氏体晶界的液膜状铜越多，奥氏体晶界被氧化得越严重[7]。如图3、4所示，在显微镜下观察裂纹区域，可以清楚的看到裂纹沿奥氏体晶界分布，富铜相沿奥氏体晶界向基体内部延伸。图8是“裂纹区域”的SEM形貌图，谱图点的EDS分析结果如表3所示，裂纹中元素以氧、铜、铁元素为主，分析结果验证了裂纹形成行为推论的准确性。

表3 EDS测试结果（质量分数，%）

图8 “铜脆”裂纹区域处的SEM形貌图

2 解决对策

“铜、高温（超过铜熔点）、应力（加工应力、热应力）”是“铜脆”现象发生的必备三要素，通过改变四通阀结构，例如四通阀S接管铜衬套炉焊焊圈摆放位置调整验证，焊圈内置改为外置，改善铜焊料量这个因素。通过改变焊接工艺，例如改变焊接火焰大小、改变焊嘴结构、改变焊接气体压力大小、改变焊接姿势等，改善高温和热应力两个因素。奥氏体不锈钢四通阀已在制冷行业内应用多年，通过深入分析问题产生的根源，生产过程中规范焊接工艺，就能从根本上杜绝问题的发现。

3 结论

1）由于四通阀的特殊结构，焊接C管时，S接管喇叭口段产生焊接热应力，S接管铜衬套底部预埋青铜焊圈，炉焊过程中，融化的焊料堆积在S接管喇叭口段，“铜+高温+应力”构成了“铜脆”现象的三要素，导致S接管喇叭口段发生铜脆开裂失效。

2）结合生产实际条件，从改善铜焊料量、高温和热应力三个方面入手，破坏“铜脆”现象必备的三要素，就能从根本上杜绝“铜脆”导致的四通阀开裂问题的发生。