空气能热水器热交换铜管失效分析
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【摘 要】 本文通过对裂纹断口宏观分析、材料成分分析、金相分析、扫描电镜及能谱分析等先进的分析技术对空气能热水器热交换器铜管裂纹进行失效分析。分析表明：铜管穿孔裂纹性质是沿晶脆性加疲劳加过载的综合性断裂，本文分析结果对有效解决空气能热水器热交换器铜管裂纹有一定的指导意义。
【关键词】 热交换器 沿晶脆性 疲劳 断裂
1 引言
热交换器是空气能热水器关键部件之一，其质量的好坏直接决定了热水器质量的优劣。在热交换器故障当中，铜管泄漏问题不容忽视，铜管泄漏直接导致热水器不能正常工作，且在售后查找故障困难、可维修性差，对产品品牌造成不良影响。本文从售后退回一台空气能热水器上拆下的热交换器分析出发，对热交换器铜管泄漏的一种失效模式进行原因分析并提出预防方案。
2 热交换器铜管泄漏失效分析
2.1 宏观分析
试样为空气能热水器热交换铜管，铜管为D型管，铜管横截面D字的直面部分紧贴不锈钢筒壁并缠绕其上。该铜管使用半年后出现泄露，拆下检查，发现D型管直面部分紧贴不锈钢筒壁部分，中部随机分布有泄露裂纹，裂纹长约8mm，沿铜管轴向分布，大部分处于D型管中部，见图1。拆开裂纹，断口表面细腻干净，见图2。
2.2 成分分析
铜管使用材料为TP2牌号的紫铜管，对铜管基体进行化学成分分析，主要成分含量见表1。测试结果表明，成分符合GB/T5231-2001关于TP2标准要求[1]。
符合GB/T5231-2001 关于TP2要求。
2.3 金相分析
截取裂纹附近铜管基体金相制样，基体为单相α铜，横截面纵截面观察均为退火态，基体晶粒细小但不均匀，铜管外侧偏大，晶粒按YS/T347-2004可评为14级，其平均晶粒直径为23.8μm，铜管内侧晶粒较小，按YS/T347-2004可评为15级，其平均晶粒直径为20.0μm。横截面金相组织见图3，纵截面金相组织见图4。
2.4 扫描电镜分析
电镜下观察，断口表面靠近铜管外表面侧存在长约3mm机械擦痕，见图5，说明裂纹起源于D型铜管外表面，从外向内呈扇形张开发展，见图6。邻近机械擦痕处为冰糖状沿晶花纹，表面清洁，无任何腐蚀产物堆积，见图7，说明裂纹开始为沿晶脆性断裂，而且开裂时间不长，表面来不及氧化。与沿晶断口相连处存在少量疲劳条带，靠近铜管内表面侧断口表面为疲劳花纹，表面清洁，无腐蚀产物堆积，见图8，说明裂纹在发展过程经过一段时间的疲劳扩展，最终瞬断区无韧窝，为大应力过载断裂特征，说明铜管穿孔时穿孔部位所受瞬间应力较大。断口表面清洁且无腐蚀产物堆积说明断口存在时间不长，全部为新鲜断裂表面。
3 失效分析总结
据化学分析，断裂铜管磷含量符合GB/T5231-2001关于TP2要求。由金相观察可以知道，该铜管是经过再结晶完全退火的，即其加工应力已消除，排除由材质异常导致的不良。从断口表面清洁，起始位置为沿晶冰糖状花样，因此导致脱氧铜沿晶破裂的原因可能是H或CO。
含氧铜在氢气氛中退火时，氢可与铜中的Cu2O反应，产生高压水蒸汽，使铜破裂，俗称“氢病 ”，“氢病 ”的发生与危害程度与温度有关。CO也能使Cu2O中的Cu还原，生成高压CO2使铜破裂，但不像氢那么敏感。
空气能热水器在工作时，温度会升温到100度以下，且经常保温在这个温度，这时积存于划痕处的水分将向铜管基材内渗透，渗透模式是水分子里的氢沿铜管晶界向铜基材内部扩散。随着时间的积累，D型管铜基材外壁紧贴不锈钢筒且划痕处积存水分的地方晶界逐渐弱化。D型管在工作时内部受冷媒系统的张应力作用，当这些地方铜管外壁晶界弱化到不足以抵抗冷媒系统的张应力作用时，铜管将发生沿晶开裂。加工划痕是沿铜管轴向的，渗入氢是沿划痕四周分布的，沿晶开裂部位基本上是划痕部位由铜管外壁向铜管内部扩展。裂纹扩展到氢渗入终了位置时因冷媒张力所致的应力集中改为疲劳扩展，同样因裂纹尖端的应力集中，疲劳扩展到裂纹尖端应力大于铜材强度时，发生穿孔。从沿晶开裂到穿孔，这个过程是较快的，故断口没留下氧化痕迹。
4 预防措施
综上所述可得出如下结论：D型铜管表面存在划痕，积存于划痕处的水分子在铜管工作温度下向铜基材渗入引起铜基材表面晶界弱化，引起铜管内受压开裂。
从以上失效分析情况来看，整改预防措施主要从提高铜管生产质量和热水器盘绕铜管质量方面入手。（1）定期检查盘拉工序和复绕工序所使用到的导向辊、矫正辊、压力辊、拉伸模、导轨等与铜管表面直接工装夹具，是否存在表面粘铜、划伤或磨损，如有发现立即更换或修复，并确认所涉及产品是否存在划伤缺陷。（2）定期检修维护探伤设备，并利用标样管理，确定合理有效的探伤工艺参数。（3）生产过程中杜绝碰伤、划伤铜管。
参考文献：
[1]GB/T 5231-2001 加工铜及铜合金化学成分和产品形状.
[2]张栋，钟培道，陶春亮.失效分析[M].北京：冶金工业出版社，2001.