不銹鋼釬焊U型管板接頭分析

呂 彪* 金建波 廖曉玲 劉延雷

（杭州市特種設(shè)備檢測研究院 容器管道所）

0 前言

隨著現(xiàn)代工業(yè)快速發(fā)展，節(jié)能減排已經(jīng)成為工業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略目標(biāo)，因此，大力發(fā)展高效率集中換熱設(shè)備也成為了必然趨勢。在我國國防、石化等行業(yè)中，小型換熱器應(yīng)用十分廣泛。然而管板式換熱器的管板連接部分是通過焊接而成，焊縫中殘留的應(yīng)力往往會對其強(qiáng)度產(chǎn)生非常不利的影響，甚至?xí)绊懫溥\(yùn)行安全。通過應(yīng)用實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，焊接失效對設(shè)備運(yùn)行影響較大[1-3]。目前，換熱器焊接研究主要集中在應(yīng)力發(fā)散和消除等方面，研究者更傾向于對焊接接頭失效進(jìn)行探索[4-7]。在各制造行業(yè)中，釬焊技術(shù)越來越重要，甚至已經(jīng)成為了不可或缺的加工制造方法，因?yàn)锽Ni2[8]的液相線相對較低，而蠕變性很強(qiáng)。此外，熱處理可以使釬料獲得更好的潤濕性與可塑性，更利于薄壁元件焊接。在本課題研究過程中，換熱器釬料一般選擇BNi2，焊縫中存在的雜質(zhì)會使焊縫強(qiáng)度降低。本文研究了304 不銹鋼材料管板釬焊強(qiáng)度，同時使用X 射線能譜分析（EDS）方法探析了釬焊接頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。通過ANSYS 有限元分析軟件對真空釬焊接頭的殘余應(yīng)力進(jìn)行了研究。該研究進(jìn)一步探索了新的釬料以及焊接工藝，致力于提升材料的力學(xué)性能，從而為真空釬焊技術(shù)的大幅度提升奠定基礎(chǔ)[9-10]。

1 實(shí)驗(yàn)方法

通過U 型管板建立有效連接，如圖1 所示。換熱器材料均為304 不銹鋼，管板厚度為10 mm，直徑為 70 mm，管子直徑為 3 mm。在換熱器兩端各設(shè)置36 個接頭，釬焊釬材料選用BNi2，其主要元素為Ni，Cr，B，Si 等。

圖 1 換熱器結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

先把釬焊爐排空，使壓力降至1.3 Pa 以下，然后將一系列組件分別放入真空爐，并慢慢升溫至850 ℃，升溫過程持續(xù)50 min；在850 ℃時保持恒溫30 min；再繼續(xù)升溫至釬焊溫度為1 050 ℃，持續(xù)30 min；在溫度1 050 ℃時維持25 min；最后使材料自行冷卻，從1 050 ℃慢慢降至620 ℃，當(dāng)溫度達(dá)到620 ℃時，向爐中輸入一定量的N2，同時啟動風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)冷，直到溫度降至40 ℃以下后出爐。

從實(shí)驗(yàn)對象中選取單個管板試件及不銹鋼管子，然后使用軟件對RG4100 試件進(jìn)行強(qiáng)度測試。在25 ℃室溫條件下，獲得了釬縫管板試件以及 3 mm 的304 不銹鋼管子的機(jī)械拉伸強(qiáng)度曲線。利用光學(xué)儀器，通過在線顯微狀態(tài)分析經(jīng)磨拋后的管板切割試樣釬焊微組織，使用掃描電鏡對焊接街頭微組織進(jìn)行分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 力學(xué)性能分析

圖2 所示為不同材料構(gòu)件的機(jī)械拉伸-應(yīng)變曲線。經(jīng)過計(jì)算可知，管板連接試件和管子的抗拉強(qiáng)度分別為662.42 MPa 和715.91 MPa。由圖2 可知，管子的抗拉強(qiáng)度較大，這就說明端口斷裂并非先由管子造成。當(dāng)釬料厚度為0.12 mm 時，管板連接端部往往容易發(fā)生斷裂，主要因?yàn)樵撎幋嬖趹?yīng)力集中現(xiàn)象，具體如圖3 所示。

圖 2 拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖 3 斷裂試件

2.2 微觀組織分析

利用光學(xué)儀器，在線顯微狀態(tài)下分析經(jīng)磨拋后的切割試樣結(jié)構(gòu)微組織，并使用EDS 方法進(jìn)行微組織分析。由圖4 可知，釬焊接頭結(jié)構(gòu)組成非常復(fù)雜，一般可將其分為4 個主要部分。

（1）母材擴(kuò)散區(qū)（DAZ）

B 原子在母材內(nèi)部晶間擴(kuò)散之后就會形成新的組織形態(tài)，如圖4 所示。圖4 中，在晶內(nèi)與晶間各自選取A、B 兩點(diǎn)進(jìn)行EDS 譜相分析，其化學(xué)成分如表1 所示。通過表1 可知，B 元素在A 處的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62.97%，B 元素在B 處的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.16%，這表明了B 元素在母材中一般進(jìn)行晶間擴(kuò)散，然后與鉻原子、鐵原子形成新的化合物。

（2）界面反應(yīng)區(qū)（IRZ ）

母材和釬料間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并冷卻后形成新的材料，其中包含了大量的金屬化合物，且一般呈條狀或者不規(guī)則多邊形，如圖5 所示。對E 點(diǎn)成分進(jìn)行分析后可知其化學(xué)成分如表2 所示，這說明該新物質(zhì)主要由B 與Cr 2 種元素組成。

圖 4 釬焊接頭微觀組織形貌

表 1 A、B掃描點(diǎn)的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

圖 5 界面反應(yīng)區(qū)

表 2 E掃描點(diǎn)的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

（3）等溫凝固區(qū)（ISZ）

等溫凝固區(qū)主要由鎳原子、鉻原子、鐵原子及硅原子等元素融合而成，融合時會產(chǎn)生大量的固溶體組織。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，新材料的各項(xiàng)力學(xué)性能均較好。

（4）釬縫中心區(qū)（ASZ）

釬焊縫中間位置存在大量的B 與Cr 形成的新物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。在圖4 中的 C、D 位置進(jìn)行取樣研究，經(jīng)EDS 分析發(fā)現(xiàn)釬縫中C 點(diǎn)Cr 含量較高，D 點(diǎn)處呈硼化鎳相，2 處的具體化學(xué)成分可見表3。

表 3 C、D掃描點(diǎn)的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) %

3 殘余應(yīng)力有限元分析

3.1 有限元建模與分析

綜合力學(xué)性能測試結(jié)果可知，應(yīng)力集中在斷口處，采用ANSYS 有限元分析軟件對組織內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行有限元熱-力分析。由于焊接接頭的應(yīng)力往往呈對稱分布，因此在分析過程中可將其視為平面量變來構(gòu)建有限元分析模型，圖6 所示為模型網(wǎng)格劃分結(jié)果。在焊縫處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分，有限元模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)為10 453 個。其中，應(yīng)力分析分別通過PLANE55 單元與PLANE182 單元來完成。管子與管板的材料熱物理參數(shù)可見表4[11]。

圖 6 有限元模型及網(wǎng)格劃分

合理設(shè)計(jì)釬焊殘余應(yīng)力順次耦合算法，對釬焊過程完成仿真模擬。采用熱輻射升溫方式并按照釬焊實(shí)際升溫過程曲線進(jìn)行有限元分析，從而得到釬焊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)溫度場。在傳熱分析過程中引入熱載荷，通過熱彈塑性分析獲得其殘余應(yīng)力分布狀況。在分析時，一般忽略內(nèi)部結(jié)構(gòu)中不同原子相互擴(kuò)散所產(chǎn)生的影響。

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

圖7 所示是設(shè)備殘余應(yīng)力圖。由圖7 可以看出，組織內(nèi)部的殘余應(yīng)力往往雜亂無章，而在管板連接處出現(xiàn)了殘余應(yīng)力最大值221 MPa，離焊縫越遠(yuǎn)，殘余應(yīng)力會逐漸降低。釬縫其他地方的應(yīng)力值并不大，這是由于管板厚度和管壁厚度都非常小，熱應(yīng)力發(fā)散十分迅速。

表 4 304不銹鋼和BNi2釬料的熱力學(xué)性能

圖 7 殘余應(yīng)力分布

4 結(jié)論

力學(xué)性能測試結(jié)果表明，管板釬焊接頭的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于304 不銹鋼管子，因此管板端部會產(chǎn)生斷裂，這是因?yàn)楣馨搴附咏宇^往往存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

采用掃描電鏡進(jìn)行微觀分析，進(jìn)一步探索了不同內(nèi)部組織區(qū)域的主要元素成分，還發(fā)現(xiàn)了B 原子一般在母材擴(kuò)散區(qū)進(jìn)行晶間擴(kuò)散。

以管子與管板焊接頭溫度場為主要研究對象構(gòu)建有限元應(yīng)力分析模型，考慮材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)隨著溫度變化產(chǎn)生的變化情況，對304 不銹鋼管板釬焊應(yīng)力分布情況進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)最大殘余應(yīng)力位于管板連接處。