不锈钢钎焊U型管板接头分析

吕 彪* 金建波 廖晓玲 刘延雷

（杭州市特种设备检测研究院 容器管道所）

0 前言

随着现代工业快速发展，节能减排已经成为工业发展的重要战略目标，因此，大力发展高效率集中换热设备也成为了必然趋势。在我国国防、石化等行业中，小型换热器应用十分广泛。然而管板式换热器的管板连接部分是通过焊接而成，焊缝中残留的应力往往会对其强度产生非常不利的影响，甚至会影响其运行安全。通过应用实践发现，焊接失效对设备运行影响较大[1-3]。目前，换热器焊接研究主要集中在应力发散和消除等方面，研究者更倾向于对焊接接头失效进行探索[4-7]。在各制造行业中，钎焊技术越来越重要，甚至已经成为了不可或缺的加工制造方法，因为BNi2[8]的液相线相对较低，而蠕变性很强。此外，热处理可以使钎料获得更好的润湿性与可塑性，更利于薄壁元件焊接。在本课题研究过程中，换热器钎料一般选择BNi2，焊缝中存在的杂质会使焊缝强度降低。本文研究了304 不锈钢材料管板钎焊强度，同时使用X 射线能谱分析（EDS）方法探析了钎焊接头的内部结构特征。通过ANSYS 有限元分析软件对真空钎焊接头的残余应力进行了研究。该研究进一步探索了新的钎料以及焊接工艺，致力于提升材料的力学性能，从而为真空钎焊技术的大幅度提升奠定基础[9-10]。

1 实验方法

通过U 型管板建立有效连接，如图1 所示。换热器材料均为304 不锈钢，管板厚度为10 mm，直径为 70 mm，管子直径为 3 mm。在换热器两端各设置36 个接头，钎焊钎材料选用BNi2，其主要元素为Ni，Cr，B，Si 等。

图 1 换热器结构图（单位：mm）

先把钎焊炉排空，使压力降至1.3 Pa 以下，然后将一系列组件分别放入真空炉，并慢慢升温至850 ℃，升温过程持续50 min；在850 ℃时保持恒温30 min；再继续升温至钎焊温度为1 050 ℃，持续30 min；在温度1 050 ℃时维持25 min；最后使材料自行冷却，从1 050 ℃慢慢降至620 ℃，当温度达到620 ℃时，向炉中输入一定量的N2，同时启动风机进行风冷，直到温度降至40 ℃以下后出炉。

从实验对象中选取单个管板试件及不锈钢管子，然后使用软件对RG4100 试件进行强度测试。在25 ℃室温条件下，获得了钎缝管板试件以及 3 mm 的304 不锈钢管子的机械拉伸强度曲线。利用光学仪器，通过在线显微状态分析经磨抛后的管板切割试样钎焊微组织，使用扫描电镜对焊接街头微组织进行分析。

2 实验结果分析

2.1 力学性能分析

图2 所示为不同材料构件的机械拉伸-应变曲线。经过计算可知，管板连接试件和管子的抗拉强度分别为662.42 MPa 和715.91 MPa。由图2 可知，管子的抗拉强度较大，这就说明端口断裂并非先由管子造成。当钎料厚度为0.12 mm 时，管板连接端部往往容易发生断裂，主要因为该处存在应力集中现象，具体如图3 所示。

图 2 拉伸应力-应变曲线

图 3 断裂试件

2.2 微观组织分析

利用光学仪器，在线显微状态下分析经磨抛后的切割试样结构微组织，并使用EDS 方法进行微组织分析。由图4 可知，钎焊接头结构组成非常复杂，一般可将其分为4 个主要部分。

（1）母材扩散区（DAZ）

B 原子在母材内部晶间扩散之后就会形成新的组织形态，如图4 所示。图4 中，在晶内与晶间各自选取A、B 两点进行EDS 谱相分析，其化学成分如表1 所示。通过表1 可知，B 元素在A 处的质量分数为62.97%，B 元素在B 处的质量分数为10.16%，这表明了B 元素在母材中一般进行晶间扩散，然后与铬原子、铁原子形成新的化合物。

（2）界面反应区（IRZ ）

母材和钎料间发生化学反应并冷却后形成新的材料，其中包含了大量的金属化合物，且一般呈条状或者不规则多边形，如图5 所示。对E 点成分进行分析后可知其化学成分如表2 所示，这说明该新物质主要由B 与Cr 2 种元素组成。

图 4 钎焊接头微观组织形貌

表 1 A、B扫描点的成分(质量分数) %

图 5 界面反应区

表 2 E扫描点的成分(质量分数) %

（3）等温凝固区（ISZ）

等温凝固区主要由镍原子、铬原子、铁原子及硅原子等元素融合而成，融合时会产生大量的固溶体组织。通过试验发现，新材料的各项力学性能均较好。

（4）钎缝中心区（ASZ）

钎焊缝中间位置存在大量的B 与Cr 形成的新物质，其结构非常复杂。在图4 中的 C、D 位置进行取样研究，经EDS 分析发现钎缝中C 点Cr 含量较高，D 点处呈硼化镍相，2 处的具体化学成分可见表3。

表 3 C、D扫描点的成分(质量分数 ) %

3 残余应力有限元分析

3.1 有限元建模与分析

综合力学性能测试结果可知，应力集中在断口处，采用ANSYS 有限元分析软件对组织内部应力进行有限元热-力分析。由于焊接接头的应力往往呈对称分布，因此在分析过程中可将其视为平面量变来构建有限元分析模型，图6 所示为模型网格划分结果。在焊缝处进行网格细分，有限元模型节点总数为10 453 个。其中，应力分析分别通过PLANE55 单元与PLANE182 单元来完成。管子与管板的材料热物理参数可见表4[11]。

图 6 有限元模型及网格划分

合理设计钎焊残余应力顺次耦合算法，对钎焊过程完成仿真模拟。采用热辐射升温方式并按照钎焊实际升温过程曲线进行有限元分析，从而得到钎焊内部结构的热力学温度场。在传热分析过程中引入热载荷，通过热弹塑性分析获得其残余应力分布状况。在分析时，一般忽略内部结构中不同原子相互扩散所产生的影响。

3.2 计算结果与分析

图7 所示是设备残余应力图。由图7 可以看出，组织内部的残余应力往往杂乱无章，而在管板连接处出现了残余应力最大值221 MPa，离焊缝越远，残余应力会逐渐降低。钎缝其他地方的应力值并不大，这是由于管板厚度和管壁厚度都非常小，热应力发散十分迅速。

表 4 304不锈钢和BNi2钎料的热力学性能

图 7 残余应力分布

4 结论

力学性能测试结果表明，管板钎焊接头的强度远小于304 不锈钢管子，因此管板端部会产生断裂，这是因为管板焊接接头往往存在应力集中现象。

采用扫描电镜进行微观分析，进一步探索了不同内部组织区域的主要元素成分，还发现了B 原子一般在母材扩散区进行晶间扩散。

以管子与管板焊接头温度场为主要研究对象构建有限元应力分析模型，考虑材料内部结构随着温度变化产生的变化情况，对304 不锈钢管板钎焊应力分布情况进行了模拟，发现最大残余应力位于管板连接处。