摘要：某換熱器長期使用后出現(xiàn)滲水腐蝕現(xiàn)象，對其泄漏部位進行宏觀檢查、掃描電鏡掃描和能譜分析。 結果表明，在焊接過程中，部分區(qū)域的銅焊料與不銹鋼基板沒有完全熔合； 換熱器在使用過程中，多次熱循環(huán)和水流的周期性沖擊將未熔合區(qū)的銅焊料與不銹鋼基板分離，最終導致局部滲漏。

關鍵詞：真空釬焊； 不銹鋼; 熱交換器; 未融合

CLC 編號：TG115.2 文檔代碼：B 文章編號：1001-4012(2022)02-0066-04

換熱器廣泛應用于化工、食品、制藥、機械等領域，在生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用[1-3]。 真空釬焊不銹鋼板式換熱器宏觀外觀如圖1所示，它由不銹鋼薄片、墊片、夾緊裝置等組成，在制造過程中，不銹鋼薄片和銅釬焊箔交替組合不銹鋼螺紋換熱管，送至釬焊爐。 ，銅箔進入爐內(nèi)后，在一定溫度下熔化成液體，這些液體通過毛細管作用吸附在不銹鋼薄板的支撐點和邊界上，從而起到密封和強化的作用[3]。 真空釬焊不銹鋼板式換熱器的失效形式有：不銹鋼板點蝕、穿孔導致泄漏； 不銹鋼板和換熱器密封墊片縫隙腐蝕導致失效； 銅焊料滲入不銹鋼晶界，晶界成為裂紋開口點而發(fā)生失效； 換熱器釬焊過程溫度過高引起過燒，造成損壞和失效[3-4]。

板式換熱器中的多層不銹鋼導熱片（見圖2）呈“S”形，這種曲面結構可以提高換熱片的傳熱效率。 板式換熱器內(nèi)部不銹鋼板表面結構復雜，液體循環(huán)通道直徑小。 液體在流動過程中，其流向和流速不斷變化，流體受到極大的擾動。 當液體通過換熱器通道時，它仍可以在低流速下處于湍流狀態(tài)。 在換熱器工作過程中，液體的流動會對換熱器產(chǎn)生間歇性脈沖沖擊。 不銹鋼板與換熱器殼板連接處的殼環(huán)焊縫是受影響最嚴重的區(qū)域[4-7]。 從圖2可以看出，換熱器的內(nèi)表面和側面存在嚴重的腐蝕缺陷。 筆者對故障現(xiàn)場進行了宏觀檢查、掃描電鏡和能譜分析。

1 理化試驗

1.1 宏觀分析

用體視顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)換熱器兩側均有腐蝕。 沿側面腐蝕嚴重的區(qū)域取樣，在體視顯微鏡下觀察打磨拋光后的樣品。 如圖3所示，可以看出部分部位的銅焊料與上下兩側的不銹鋼基板分離。

的

將銅焊料與不銹鋼基板分離的部分切開，發(fā)現(xiàn)有部分不銹鋼片脫落。 漏水處焊縫表面宏觀形貌如圖4所示，從圖4可以看出銅焊錫面沒有明顯的不銹鋼殘留物，脫落的不銹鋼面表面為平整，表面無明顯銅焊渣。 結合剝離面的兩側，可以看出不銹鋼和銅焊料之間發(fā)生了分離。

1.2 掃描電鏡與能譜分析

在掃描電子顯微鏡下觀察不銹鋼側面和銅焊料表面的顯微形貌（見圖5）。 從圖5可以看出，不銹鋼側面平坦，晶粒未完全熔化，僅在晶界處發(fā)生輕微熔化； 焊錫面有網(wǎng)狀突起。 這些突出的釬料滲入不銹鋼晶界，從而形成焊縫的嵌套結構。 對剝離表面進行能譜 (EDS) 分析。 圖6顯示了不銹鋼側面的能譜分析結果。 可以看出，其表面主要由鐵、鉻、碳等元素組成，還有少量的銅元素。 圖 7 顯示了銅焊料側面的能譜分析結果。 表面主要由銅和碳元素組成不銹鋼螺紋換熱管，幾乎不含鐵和鉻元素。 圖 8 顯示了正常釬焊接頭的微觀形態(tài)。 可以看出，與銅焊料接觸的不銹鋼表面晶粒的晶界出現(xiàn)輕微熔化，銅焊料滲入晶界。 圖 9 顯示了普通釬焊接頭不銹鋼晶界處的線掃描能譜分析結果。 可以看出，在正常的釬焊接頭處，銅焊料滲入了不銹鋼表面晶粒的晶界。

2 綜合分析

從分析結果來看，換熱器的失效模式是不銹鋼基板與銅焊料分離。 從宏觀分析可以發(fā)現(xiàn)，雖然失效樣品局部區(qū)域的焊錫完全填滿了焊縫，但與不銹鋼母材結合不良。 從掃描電鏡結果可以看出，失效接頭和正常接頭處的銅焊料與不銹鋼母材形成了焊接嵌套結構； 失效接頭處的銅焊料與不銹鋼基材結合不緊密。 不銹鋼片表面的油和銅焊料在高溫下分解形成碳。 真空釬焊前，如果不銹鋼片和銅釬料未經(jīng)表面處理或處理不達標，真空釬焊時不銹鋼表面局部Cr2O3氧化膜無法去除，局部不銹鋼基體區(qū)域與銅焊料結合不緊密，導致現(xiàn)象[7-11]。

3 結論與建議

換熱器投入使用后，水流不斷對換熱器施加周期性沖擊，局部結合力小、熔合不完全的不銹鋼基板與銅焊料逐漸分離，產(chǎn)生縫隙和局部進水換熱器滲漏。

建議在真空釬焊前加強焊件表面預處理，清理各不銹鋼片和銅焊料表面的油污和殘留物，促進銅焊料和不銹鋼基體相互融合，增強結合力在焊料和不銹鋼之間。

參考：

[1] 曹穎，張承文． 換熱器的應用與發(fā)展前景[J]． 中國機械, 2014(3): 116-117.

[2]趙通． 斜柵板式換熱器流體流動傳熱模擬及新型板片結構開發(fā) [D]. 北京: 北京化工大學, 2018.

[3] 陳永東，張明然，艾志斌． 釬焊板式換熱器失效分析[J]． 壓力容器，2005,22(12):39-42,35。

[4] BOBIˇC MH,,ˇCI, etal. 板：離子[J]． ,2020, 163:.

[5] 魏松，張亞曉，周曉蕾，等． 銅與不銹鋼真空釬焊的顯微組織與力學性能[J]． 焊接, 2020(3):54-57,68.

[6] 張慶科，鐘素娟，張雷，等． 奧氏體不銹鋼-銅填料釬焊界面反應行為分析[J]． 焊接學報, 2017,38(3):75-78,132.

[7] 劉建波． 淺談低碳鋼管道焊接缺陷的成因及措施[J]． 冶金與材料, 2018,38(6):143-144.

[8], LG, DALKL AS, et al. [J]. ,2020,56(12):3261-3271.

[9] 張潔，竇全山，吳業(yè)軍，等． 熱絲TIG焊層間未熔合缺陷的成因及預防措施[J]. 金屬加工（熱加工），2020（11）：66-68。

[10]王思宏． 薄壁不銹鋼管釬焊材料、工藝及機理研究[D]． 杭州: 浙江科技大學, 2019.

[11] 于學宗, 鐘素娟, 高亞, 等.硬質合金/鋼釬焊接頭夾雜物及其對接頭力學性能的影響[J]. 焊接, 2018 (1): 25-30.

材料與檢測網(wǎng)> 期刊論文> 理化測試-物理卷> 第58卷> 第2期(pp:66-69)>