发动机EGR波纹管失效原因分析

杜雄雄

（柳州五菱柳机动力有限公司，广西 柳州545005）

0 引言

某汽油机的EGR波纹管的一端法兰（图1左侧）连接排气歧管4个歧管的汇合处，另外一端法兰（图1右侧）与冷却器连接。EGR波纹管是由两处法兰、一处活动支架、一处整体成型的圆管波纹管组成。波纹管采用机械胀波工艺，圆管与两处法兰通过钎焊连接（见图1）。该结构的EGR波纹管在发动机耐久台架试验过程中出现了两处断裂，断裂的位置分别为：首次出现的断裂位置在波纹管的波峰处，当波峰处的断裂改善后，新的断裂位置出现在圆管与法兰的焊接处。影响波纹管的因素包括：管路布置、使用环境、材质、制造工艺、波形参数、制造精度、装配偏差等。本文将按以上因素对两处断裂进行分析，找出断裂的根本原因，并提出简单可行的改善方案。

图1 EGR波纹管的布置结构

1 问题一描述

发动机耐久台架试验过程中，3件相同状态的EGR波纹管出现断裂的时间分别为：63 h、59 h、69 h，首次出现断裂的位置（见图2）都位于靠近排气歧管4个歧管的汇合处一侧波纹管的波峰处。

图2 波峰处断裂的位置

2 问题一原因分析

2.1 宏观断口

断口有高温氧化色，有疲劳纹线及众多疲劳小台阶，也有少部分断面对碰而呈坦亮态，属疲劳断裂，波峰处断裂的宏观断口见图3。

图3 波峰处断裂的宏观断口

2.2 金相组织

断口处金相为孪晶奥氏体单一相组织，晶粒度4.5级，有少量δ铁素体，断口处穿晶断裂。穿晶断裂一般是韧性断裂，材料断裂前已经承受过大量的塑性变形，所以穿晶断裂基本上都是疲劳断裂，金相组织见图4。

图4 波峰处断裂的金相组织

2.3 材质分析

EGR波纹管在发动机工作的工况为进气温度450℃，出气温度320℃，材料耐热温度-40℃ ～850℃。由于发动机废气具有较强的腐蚀性，其材质还需要具有较强的耐腐蚀性能[1]，因此EGR波纹管材料选用常见的SUS321，对改善晶间腐蚀倾向更优异于SUS304，在高温工作时具有足够的热稳定性，并能够承受最大的工作压力，所以材料的力学性能、耐腐蚀性、耐热性、耐压性不是导致断裂的原因。

2.4 制造工艺

EGR波纹管在制造工艺上采用先胀波后钎焊，相对先钎焊后胀波的制造工艺，后者疲劳强度强度提升为前者的3倍以上，但EGR波纹管两端钎焊法兰，所以不能从焊接工艺上进行优化。

2.5 优化前的波形参数

波形参数对波纹管各项性能影响很大，其中波深系数是决定波纹管几何形状的一个重要参数，通常用波深系数K来表示，K=D/(D-2h)，EGR波纹管波深系数K=1.3～1.5，波纹管较容易成形。K值越大，波高h越大，允许的位移越大，刚度越小、越容易出现失稳，波纹管成形也越困难。波纹管形状为U形，U形波纹管便于加工，补偿能力较好，因此得到广泛应用。优化前的波形结构见图5，优化前的波形参数见表1。

②预制混凝土板:预制混凝土板要平整，严格按照设计及相关规范要求施工，坡面误差不得大于±0.5 cm，板下严禁用小石子、中粗砂找平；板与板之间缝控制在1.5～2.5 cm之间。

图5 优化前的波纹管结构（mm）

表1 优化前的波形参数

2.6 理论分析

疲劳断裂的断口起源一般在受应力较大的部位，分析其波形参数，波峰外壁圆角半径小于波谷，容易在波峰处产生应力集中。此外波纹管波距较小，柔性越好，补偿性能也就越好，但是刚度较小，容易使波纹管在发动机的交变应力下出现振动疲劳，从而在应力集中的波峰处出现断裂[2]。

2.6.1 轴向弹性刚度

轴向弹性刚度是评价波纹管性能的重要指标，刚度小，产生的横向位移也较大。当横向位移超过波纹管振动所产生的最大位移时会出现结构失效。波纹管的轴向弹性刚度是以单波轴向弹性刚度为基准计算的，计算公式[3]如下：

由式（1）可以看出，波纹管的轴向弹性刚度主要与波纹管平均直径Dm、弹性模量Eb、成型后的管壁厚δp、层数n、波高h、修正系数Cf有关。由以上公式可知，增加管坯壁厚δ0或成型后的δp都可引起轴向弹性刚度的增加。

2.6.2波纹管成形前后壁厚变化关系

根据质量守恒，波纹管成形前后壁厚变化关系如下：

其中：

简化得：

由式（2）可以看出，增加管坯壁厚 δ0、增加波距q、减小波高h，都会使成型后的管壁厚δp增加。

2.6.3 第一次优化后的波形参数

根据式（1）和（2），增加成型后的管壁厚 δp，轴向弹性刚度会变大，所以在不提高管坯壁厚成本的情况下，可通过增加波距的方式来提高轴向弹性刚度。第一次优化后的波形参数见表2。

表2 第一次优化后的波形参数

3 问题二描述

按第一次优化后的波形参数制作新的样件，并进行发动机台架耐久试验，第1件运行至38 h，在靠近冷却器一侧的EGR波纹管与法兰焊接处出现断裂，重新更换相同状态的样件，第2件运行至45 h和第1件在相同的位置出现了断裂（见图6），而原来在波纹管的波峰处没有出现断裂。

图6 焊接处断裂的位置

4 问题二原因分析

4.1 宏观断口

断口大部份呈撕裂形态，没有小台阶与疲劳纹，部分区域有磨刮痕迹，属应力过载断裂。焊接处断裂的宏观断口见图7。

图7 焊接处断裂的宏观断口

4.2 金相组织

断口处金相为孪晶奥氏体单一相组织，晶粒度4级，断口处部分沿晶界断。多数情况下沿晶断裂属于脆性断裂，应降低金属表面的残余拉应力，金相组织见图8。

图8 焊接处断裂的金相组织

4.3 制造精度及焊接工艺

EGR波纹管成型后的精度差，在装配时产生较大的装配应力；焊接部位存在较大缺陷，制造工艺为钎焊前在法兰结合处先用电弧焊点三个焊点，焊点存在缺陷时，会使缺陷处的强度大幅降低，容易成为裂纹的起源位置。从断口分析来看，该处承受较大的应力，圆管的强度低，在振动下产生的位移大于管的壁厚而出现撕裂。

5 优化设计

增加圆管管坯壁厚，提高圆管的强度，减小过载断裂的风险。

5.1 优化设计方案

由改进前的一体式波纹结构更改为分段式结构，制造工艺由改进前的整体成型更改为单独成型，即圆管和波纹管分别成型，两段圆管分别插入到波纹管两端的直边段内，通过钎焊将三者焊接在一起（见图 9）。

图9 优化后的圆管与波纹管结构

5.2 优化波形参数

在满足EGR管进气流量的前提下，保持圆管内径d不变，增大波纹管内径Db和外径D，减小波深系数K值，提高EGR管整体强度和刚度。第二次优化后的波形参数见表3。

表3 第二次优化后的波形参数

5.3 改进焊接工艺

取消钎焊前在法兰结合处先用电弧焊点三个焊点的工艺，改进为胀管工艺，即通过胀管后与法兰孔过盈配合，再进行高温钎焊。

6 试验验证

第二次优化完成后的EGR波纹管在发动机台架上通过了570 h的耐久试验，满足设计目标。

7 结束语

发动机对于用EGR波纹管连接振动位移较大的两个零件时，在设计EGR波纹管时不能仅考虑其补偿性，需充分评估其在制造精度、装配偏差的基础上适当提高波纹管的刚度，提升整体波纹管的强度，减小振动疲劳对波纹管的破坏，提高安全系数，满足耐久试验的要求。本文提出的改善方案对类似EGR波纹管的优化设计提供了借鉴和可行的理论依据。