分享：真空钎焊不锈钢板式换热器渗漏原因

应桂元,刘洁洁,向雄志

(深圳大学 材料科学与工程学院,深圳 518060) 

摘 要:某换热器在长期使用后出现渗水和腐蚀现象,对其渗漏部位进行宏观检查、扫描电镜及 能谱分析。结果表明:部分区域的铜焊料与不锈钢基体在焊接时未完全熔合;在换热器使用期间, 多次热循环与水流周期性冲击使焊接未熔合区域的铜焊料与不锈钢基体分离,最终导致局部渗水。

关键词:真空钎焊;不锈钢;换热器;未熔合

中图分类号:TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)02-0066-0

换热 器 在 化 工、食 品、制 药、机 械 等 领 域 应 用 广泛,在生产中占有重要地位[1-3]。真空钎焊不锈 钢板式换热 器 宏 观 形 貌 如 图 1 所 示,其 由 不 锈 钢 板薄片、垫 圈、夹 紧 装 置 等 组 成,制 造 时 预 先 将 不 锈钢薄片与 铜 钎 箔 交 替 组 合 在 一 起 送 入 钎 焊 炉, 进炉后铜箔 在 一 定 温 度 下 熔 化 成 液 体,这 些 液 体 通过毛细作用吸附在不锈钢板薄片的支撑点和边 界上,从而起 到 密 封 与 加 强 的 作 用[3]。真 空 钎 焊 不锈钢板式 换 热 器 发 生 失 效 的 形 式 有:不 锈 钢 薄 板发生点蚀 穿 孔 导 致 泄 漏;换 热 器 不 锈 钢 板 薄 片 与密封垫圈 处 发 生 缝 隙 腐 蚀 导 致 失 效;铜 焊 料 渗 透进入不锈钢晶界,晶界成为启裂点而发生失效; 换热器钎焊 过 程 的 温 度 过 高 导 致 过 烧,从 而 产 生 破坏失效等[3-4]。 

某板式换热器中的多层不锈钢导热薄片(见图2)呈现“S”形,这种曲面结构可以提高换热片的传 热效率。板式换热器内部的不锈钢薄片表面结构复 杂,液体流通通道直径小,在液体的流动过程中其流 向及流速不断改变,流体的扰动很大。液体在通过 换热器通道时,在低流速下仍然可以呈湍流状态。 该换热器工作过程中,液体的流动会对换热器施加 一个间歇性的脉冲冲击。不锈钢薄片与换热器外壳 板连接的壳体环焊缝接头处是受冲击最严重的区 域[4-7],由图2可以看出,该换热器内表面及侧面均 有严重的腐蚀缺陷。笔者对其失效部位进行宏观检 查、扫描电镜及能谱分析。

1 理化检验

1.1 宏观分析 

经体视显微镜观察,发现该换热器两侧均存在 腐蚀,沿侧面严重腐蚀区域截取试样,在体视显微镜 下观察打磨抛光后的试样,漏水处焊缝截面宏观形 貌如图3所示,由图3可以看出,某些部位的铜焊料 与上下两侧不锈钢基体存在分离现象。

将铜焊料与不锈钢基体分离部位切开,发现部 分不锈钢薄片发生脱落,漏水处焊缝表面宏观形貌 如图4所示,由图4可以看出,铜焊料侧无明显的不锈钢残留,脱落的不锈钢侧表面平整,表面没有明显 的铜焊料残留。结合脱落面两侧可以看出,不锈钢 与铜焊料之间发生分离。

1.2 扫描电镜与能谱分析

在扫描电镜下观察不锈钢侧表面与铜焊料表面 的微观形貌(见图5),由图5可以看出,不锈钢侧表 面平整,晶粒未完全熔融,仅晶界处有轻微熔融现 象;铜焊料表面存在网状突起。这些突起的铜焊料 渗入不锈钢晶界,从而形成了焊接的嵌套结构。对 剥落表面进行能谱(EDS)分析,图6为不锈钢侧表 面能谱分析结果,可以看出该表面主要是铁、铬、碳 等元素,以及少量的铜元素。图7为铜焊料侧表面 能谱分析结果,该表面主要是铜元素与碳元素,几乎 不含铁、铬元素。图8为正常钎焊接头的微观形貌, 可以看出,与铜焊料接触的不锈钢表面晶粒的晶界 出现轻微熔融,铜焊料渗入晶界。图9为正常钎焊 接头不锈钢晶界处线扫描能谱分析结果,可以看出 正常钎焊接头处也存在铜焊料渗入不锈钢表层晶粒 晶界处的现象。

2 综合分析 

从分析结果看,该换热器的失效形式为不锈钢 基体与铜焊料分离。从宏观分析可以发现,失效样 品局部区域焊料虽然完整地填充了焊缝,但是与不 锈钢母材结合较差。由扫描电镜结果以看出:失效 接头部位与正常接头部位的铜焊料与不锈钢母材都形成了焊接嵌套结构;失效接头部位的铜焊料与不 锈钢母材的结合并不紧密。不锈钢薄片与铜焊料表 面的油污在高温下分解形成碳元素。真空钎焊前, 如果不锈钢薄片与铜焊料未进行表面处理或者处理 不达标,真空钎焊时局部不锈钢表面的 Cr2O3 氧化 膜就不能去除,则局部区域的不锈钢基体与铜焊料 结合不紧密,从而出现未熔合现象[7-11]。 

3 结语及建议

换热器投入使用后,水流不停地对换热器施加周期性冲击,局部结合力小且未完全熔合部位的不 锈钢基体与铜焊料逐渐分离,产生缝隙,使换热器局 部渗水。建议在真空钎焊前加强焊接件表面预处理,清 理各不锈钢薄片与铜焊料表面的油污与残渣,促进 铜焊料与不锈钢基体相互结合,增强焊料与不锈钢 之间的结合力。

参考文献: 

[1] 曹影,张成文.换热器应用与发展前景[J].中国机 械,2014(3):116-117. [2] 赵桐.斜方格板式换热器的流体流动与传热模拟及 新板片结构开发[D].北京:北京化工大学,2018. [3] 陈永东,张明然,艾志斌.钎焊板式换热器的失效分 析[J].压力容器,2005,22(12):39-42,35. [4] BOBIˇC M H,GJEREKB,GOLOBIˇCI,etal.Dynamic behaviourofa plate heatexchanger:Influence of temperaturedisturbancesandflowconfigurations[J]. InternationalJournalofHeatand MassTransfer,2020, 163:120439. [5] 魏松,张亚霄,周晓蕾,等.紫铜与不锈钢真空钎焊组 织与力学性能[J].焊接,2020(3):54-57,68. [6] 张青科,钟素娟,张雷,等.奥 氏 体 不 锈 钢-铜 钎 料 钎 焊界面反应行为分析[J].焊接学报,2017,38(3):75- 78,132. [7] 刘建波.浅谈低碳钢管道焊接缺陷产生的原因及措 施[J].冶金与材料,2018,38(6):143-144. [8] NILPUENGK,ASIRVATHAM LG,DALKL AS, etal.Heattransferandfluidflowcharacteristicsina plateheatexchangerfilled withcopperfoam [J]. HeatandMassTransfer,2020,56(12):3261-3271. [9] 张杰,窦泉山,吴业俊,等.热丝 TIG焊层间未熔合缺 陷成因与 预 防 措 施 [J].金 属 加 工 (热 加 工),2020 (11):66-68. [10] 王思鸿.薄壁不锈钢细管的钎焊材料、工艺及机理研 究[D].杭州:浙江科技学院,2019. [11] 于学宗,钟素娟,高雅,等.硬质合金/钢钎缝中的夹 杂物及 其 对 接 头 力 学 性 能 的 影 响 [J].焊 接,2018 (1):25-30

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