摘 要:某換熱器在長(zhǎng)期使用后出現(xiàn)滲水和腐蝕現(xiàn)象,對(duì)其滲漏部位進(jìn)行宏觀檢查、掃描電鏡及 能譜分析。結(jié)果表明:部分區(qū)域的銅焊料與不銹鋼基體在焊接時(shí)未完全熔合;在換熱器使用期間, 多次熱循環(huán)與水流周期性沖擊使焊接未熔合區(qū)域的銅焊料與不銹鋼基體分離,最終導(dǎo)致局部滲水。

關(guān)鍵詞:真空釬焊;不銹鋼;換熱器;未熔合

中圖分類號(hào):TG115.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2022)02-0066-04

換熱 器 在 化 工、食 品、制 藥、機(jī) 械 等 領(lǐng) 域 應(yīng) 用 廣泛,在生產(chǎn)中占有重要地位[1-3]。真空釬焊不銹 鋼板式換熱 器 宏 觀 形 貌 如 圖 1 所 示,其 由 不 銹 鋼 板薄片、墊 圈、夾 緊 裝 置 等 組 成,制 造 時(shí) 預(yù) 先 將 不 銹鋼薄片與 銅 釬 箔 交 替 組 合 在 一 起 送 入 釬 焊 爐, 進(jìn)爐后銅箔 在 一 定 溫 度 下 熔 化 成 液 體,這 些 液 體 通過毛細(xì)作用吸附在不銹鋼板薄片的支撐點(diǎn)和邊 界上,從而起 到 密 封 與 加 強(qiáng) 的 作 用[3]。真 空 釬 焊 不銹鋼板式 換 熱 器 發(fā) 生 失 效 的 形 式 有:不 銹 鋼 薄 板發(fā)生點(diǎn)蝕 穿 孔 導(dǎo) 致 泄 漏;換 熱 器 不 銹 鋼 板 薄 片 與密封墊圈 處 發(fā) 生 縫 隙 腐 蝕 導(dǎo) 致 失 效;銅 焊 料 滲 透進(jìn)入不銹鋼晶界,晶界成為啟裂點(diǎn)而發(fā)生失效; 換熱器釬焊 過 程 的 溫 度 過 高 導(dǎo) 致 過 燒,從 而 產(chǎn) 生 破壞失效等[3-4]。

某板式換熱器中的多層不銹鋼導(dǎo)熱薄片(見圖2)呈現(xiàn)“S”形,這種曲面結(jié)構(gòu)可以提高換熱片的傳 熱效率。板式換熱器內(nèi)部的不銹鋼薄片表面結(jié)構(gòu)復(fù) 雜,液體流通通道直徑小,在液體的流動(dòng)過程中其流 向及流速不斷改變,流體的擾動(dòng)很大。液體在通過 換熱器通道時(shí),在低流速下仍然可以呈湍流狀態(tài)。 該換熱器工作過程中,液體的流動(dòng)會(huì)對(duì)換熱器施加 一個(gè)間歇性的脈沖沖擊。不銹鋼薄片與換熱器外殼 板連接的殼體環(huán)焊縫接頭處是受沖擊最嚴(yán)重的區(qū) 域[4-7],由圖2可以看出,該換熱器內(nèi)表面及側(cè)面均 有嚴(yán)重的腐蝕缺陷。筆者對(duì)其失效部位進(jìn)行宏觀檢 查、掃描電鏡及能譜分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

經(jīng)體視顯微鏡觀察,發(fā)現(xiàn)該換熱器兩側(cè)均存在 腐蝕,沿側(cè)面嚴(yán)重腐蝕區(qū)域截取試樣,在體視顯微鏡 下觀察打磨拋光后的試樣,漏水處焊縫截面宏觀形 貌如圖3所示,由圖3可以看出,某些部位的銅焊料 與上下兩側(cè)不銹鋼基體存在分離現(xiàn)象。

將銅焊料與不銹鋼基體分離部位切開,發(fā)現(xiàn)部 分不銹鋼薄片發(fā)生脫落,漏水處焊縫表面宏觀形貌 如圖4所示,由圖4可以看出,銅焊料側(cè)無明顯的不銹鋼殘留,脫落的不銹鋼側(cè)表面平整,表面沒有明顯 的銅焊料殘留。結(jié)合脫落面兩側(cè)可以看出,不銹鋼 與銅焊料之間發(fā)生分離。

1.2 掃描電鏡與能譜分析

在掃描電鏡下觀察不銹鋼側(cè)表面與銅焊料表面 的微觀形貌(見圖5),由圖5可以看出,不銹鋼側(cè)表 面平整,晶粒未完全熔融,僅晶界處有輕微熔融現(xiàn) 象;銅焊料表面存在網(wǎng)狀突起。這些突起的銅焊料 滲入不銹鋼晶界,從而形成了焊接的嵌套結(jié)構(gòu)。對(duì) 剝落表面進(jìn)行能譜(EDS)分析,圖6為不銹鋼側(cè)表 面能譜分析結(jié)果,可以看出該表面主要是鐵、鉻、碳 等元素,以及少量的銅元素。圖7為銅焊料側(cè)表面 能譜分析結(jié)果,該表面主要是銅元素與碳元素,幾乎 不含鐵、鉻元素。圖8為正常釬焊接頭的微觀形貌, 可以看出,與銅焊料接觸的不銹鋼表面晶粒的晶界 出現(xiàn)輕微熔融,銅焊料滲入晶界。圖9為正常釬焊 接頭不銹鋼晶界處線掃描能譜分析結(jié)果,可以看出 正常釬焊接頭處也存在銅焊料滲入不銹鋼表層晶粒 晶界處的現(xiàn)象。

2 綜合分析

從分析結(jié)果看,該換熱器的失效形式為不銹鋼 基體與銅焊料分離。從宏觀分析可以發(fā)現(xiàn),失效樣 品局部區(qū)域焊料雖然完整地填充了焊縫,但是與不 銹鋼母材結(jié)合較差。由掃描電鏡結(jié)果以看出:失效 接頭部位與正常接頭部位的銅焊料與不銹鋼母材都形成了焊接嵌套結(jié)構(gòu);失效接頭部位的銅焊料與不 銹鋼母材的結(jié)合并不緊密。不銹鋼薄片與銅焊料表 面的油污在高溫下分解形成碳元素。真空釬焊前, 如果不銹鋼薄片與銅焊料未進(jìn)行表面處理或者處理 不達(dá)標(biāo),真空釬焊時(shí)局部不銹鋼表面的 Cr2O3 氧化 膜就不能去除,則局部區(qū)域的不銹鋼基體與銅焊料 結(jié)合不緊密,從而出現(xiàn)未熔合現(xiàn)象[7-11]。

3 結(jié)語及建議

換熱器投入使用后,水流不停地對(duì)換熱器施加周期性沖擊,局部結(jié)合力小且未完全熔合部位的不 銹鋼基體與銅焊料逐漸分離,產(chǎn)生縫隙,使換熱器局 部滲水。

建議在真空釬焊前加強(qiáng)焊接件表面預(yù)處理,清 理各不銹鋼薄片與銅焊料表面的油污與殘?jiān)?促進(jìn) 銅焊料與不銹鋼基體相互結(jié)合,增強(qiáng)焊料與不銹鋼 之間的結(jié)合力。

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<文章來源> 材料與測(cè)試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 58卷 > 2期 (pp:66-69)>