干气压缩机后冷却器扩散焊工艺优化研究

郭志芳,孟凡昌,许小波,任来超,蒋文春,付敏翔,张玉财

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452;2.杭州沈氏节能科技股份有限公司，浙江 杭州 311612;3.中国石油大学(华东)新能源学院，山东 青岛 266580)

换热器是整个天然气生产过程中最重要的设备之一【1-2】。印刷电路板式换热器(简称PCHE)因其较高的换热效率和结构紧凑性【3】，在天然气生产用干气压缩机后冷却器中具有广阔的应用前景【4】，被《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2020－2035)》列为研发重点。

PCHE主要采用扩散焊技术制造【5】。扩散焊是指在一定温度和压力下，把两个或两个以上的固相材料置于真空或保护气氛中加热至母材熔点以下温度，使其连接界面产生微观塑性变形以达到紧密接触，再经保温、原子相互扩散而形成牢固的冶金结合的一种连接方法。目前，PCHE制造技术被国外公司垄断，国内逐渐实现国产化，但尚未大规模应用，主要原因在于扩散焊接头强度相对较低，不能满足长时间工作要求。

当前对于PCHE的研究主要集中于热力计算【6-7】、结构优化【8】及应力计算【9】等方面，强度研究涉及较少。本文以不锈钢316L扩散焊接头为研究对象，研究接头在不同连接工艺下的性能，以获得最佳扩散焊连接工艺，进而为PCHE高性能可靠性设计与制造提供一定的理论指导。

1 试验过程及细节

工件材料为316L不锈钢。为了获得PCHE扩散焊接头的力学性能和连接形变量，采用108张尺寸为100 mm×100 mm×1.5 mm的板片进行扩散焊连接，然后在焊接件中获取拉伸试样，如图1(a)～图1(b)所示。

图1 316L不锈钢板片及芯体

为获得PCHE焊接过程中的尺寸形变量和焊后密封性能参数，采用刻蚀板结构进行焊接，如图2(a)～图2(b)所示。板片表面粗糙度Ra≤0.4μm，平面度偏差≤0.1 mm。板片装配前采用除油剂清洗，然后在30～55℃下的槽液(MGC101∶去离子水＝1∶25～40)中浸泡10 min，烘干后在10－3Pa的扩散焊真空炉内进行连接。

图2 试验件2板片及芯体

后冷却器设计温度为150℃，为提高其安全裕量，测试温度选择200℃。拉伸试验根据GB/T 228.2—2015《金属材料拉伸试验第2部分:高温试验方法》【10】对扩散焊接头的拉伸性能进行测试。试验在MTS拉伸试验机上进行，同蠕变试验相同，为确保试样温度均匀性，测试过程中试样标距段内采用三段式控温【11】。测试初始阶段拉伸速率为0.6 mm/min，后期为1 mm/min。针对不同的工艺对接头进行正交试验测试，进而获得最优扩散焊工艺。高温拉伸试样尺寸如图3所示。

图3 高温拉伸试样

焊后形变量主要测试PCHE刻蚀通道的槽宽、槽深及筋宽形变量。刻蚀过程中，筋宽尺寸为0.65～0.68 mm，槽宽尺寸为1.82～1.85 mm，槽深在0.82～0.83 mm范围之内，如图4所示。

图4 刻蚀通道示意

2 试验结果与分析

2.1 连接温度对扩散焊接头高温性能影响

不同连接温度下扩散焊工艺:焊接温度选择980、1 020、1 060、1 080及1 120℃五个温度点，焊接压力为10 MPa，焊接时间为60 min。

表1所示为不同焊接温度下扩散焊接头高温拉伸试验结果。由表1可见，接头的屈服强度、抗拉强度和断后延伸率均随焊接温度的升高而升高;焊接温度为980和1 020℃时，强度和断后延伸率相对较小，数据分散性较大;当焊接温度为1 060～1 120℃时，屈服强度和抗拉强度差异较小，断后延伸率呈现明显的增大趋势。

表1 不同焊接温度下扩散焊接头高温拉伸试验结果

表2所示为不同焊接温度下试验件2的焊后形变量。由表2可见，不同焊接温度下，试验件的焊后形变量小于6%，整个结构在合理的变形范围之内。

表2 不同焊接温度下扩散焊试验件2形变量

图5所示为试验件2焊后尺寸变化。由图5可见:对于槽宽和筋宽，在不同的焊接温度下，其尺寸变化较小;而槽深变化较大，但都满足槽深0.80～0.95 mm的公差要求。基于上述分析，合适的焊接温度区间为1 060～1 120℃。

图5 不同焊接温度下试验件2焊后尺寸变化

2.2 焊接压力对扩散焊接头高温性能影响

对于1 120℃，由于温度较高，压力和保温时间不宜过大，不合适作为非变化参量讨论。焊接温度为1 060℃时，高温性能良好，可作为压力变量试验参量。不同焊接压力下扩散焊工艺为:焊接压力选择8、10、13、16、19 MPa五种，焊接温度为1 060℃，焊接时间为60 min。

表3所示为不同焊接压力下接头的高温拉伸试验结果。由表3可见:接头的屈服强度和断后延伸率均随焊接压力升高而升高;而抗拉强度则呈现先增后减、然后再增加的趋势。整体来说，当焊接压力＞10 MPa时，接头的抗拉强度和断后延伸率变化较小。

表3 不同焊接压力下扩散焊接头高温拉伸试验结果

表4所示为试验件2的焊后形变量。由表4可见:焊接压力为8 MPa时，刻蚀结构连接后的形变为4.0%;焊接压力10～13 MPa时，形变百分比控制在6.0%之内，当焊接压力超过16 MPa时，形变量在8.0%～12.2%的范围之内。

表4 不同焊接压力下试验件2形变量

图6所示为不同焊接压力下试验件2焊后尺寸变化。由图6可见:焊接压力8～13 MPa时，槽宽、筋宽、槽深尺寸基本不变;压力大于13 MPa时，筋宽尺寸逐步增大，槽深尺寸逐渐减小，总的来说，槽宽、槽深和筋宽变化趋势相对较小。说明试验件产生了均匀形变。基于上述分析，合理的焊接压力区间为10～13 MPa。

图6 不同连接压力下试验件2焊后尺寸变化

2.3 保温时间对扩散焊接头高温性能影响

通过2.1和2.2节可知，焊接温度1 060～1 120℃、焊接压力10 MPa左右为合理的焊接工艺。由于1 120℃的工作温度较高，焊接压力为10 MPa时焊接件的形变相对较大，为减小形变量，在讨论焊接压力为10 MPa的材料焊接性能时，与焊接压力为7 MPa的材料焊接性能进行了对比研究。不同焊接压力、保温时间下的扩散焊工艺如表5所示。

表5 不同焊接压力、保温时间下扩散焊工艺

表6所示为不同焊接压力和保温时间情况下接头高温拉伸试验结果。由表6可见:焊接温度为1 060～1120℃、压力为10 MPa时，接头强度在保温时间为60 min时最高;随着保温时间延长，强度降低，而断后延伸率则逐渐增加;扩散焊温度1 120℃、焊接压力7 MPa、保温时间为120 min时，接头性能与1 060℃-10 MPa-60 min工艺下获得的接头性能相近。

表6 不同焊接压力和保温时间情况下扩散焊接头高温拉伸试验结果

表7所示为不同焊接压力、保温时间情况下试验件2的焊后形变量。由表7可见:在焊接温度1 060℃、压力为10 MPa时，焊接件形变随保温时间的增加而增加;在焊接温度1 120℃、压力为10 MPa、保温时间＜90 min时，形变百分比为5.8%，当保温时间增加到120 min时，形变百分比为7.2%;在焊接温度1 120℃、压力7 MPa、保温时间120 min工艺下，其形变量为5.4%。

表7 不同焊接压力和保温时间情况下扩散焊 试验件2形变量

图7所示为不同焊接压力、保温时间情况下试验件2刻蚀板焊后尺寸变化。由图7可见:不同保温时间情况下，槽宽基本一致;当温度分别为1 060和1 120℃时，筋宽呈缓慢上升趋势;对于槽深，当温度为1 060℃时，其数值在0.88～0.97 mm之间，当温度为1 120℃时，筋宽均随保温时间增加而呈现缓慢上升趋势。当温度1 120℃、压力7 MPa、保温时间120 min工艺下，槽宽、筋宽和槽深尺寸分别为1.81、0.69和0.90 mm，所有工艺参数均能满足形变要求。基于上述分析，合理的保温时间为60 min。

图7 不同焊接压力、保温时间情况下试验件2刻蚀板 焊后尺寸变化

4 结语

本文以干气压缩机用PCHE不锈钢316L扩散焊接头为研究对象，研究设计条件下扩散焊接头在不同连接工艺下的性能，综合考虑扩散焊接头的强度、韧性和焊后形变情况，优化工艺区间为扩散焊温度1 060～1120℃、焊接压力10～13 MPa、保温时间60 min。本文的研究结果可为PCHE高性能可靠性设计与制造提供较好的理论指导。