保温时间对304不锈钢板翅结构真空钎焊的影响.docx
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保温时间对304不锈钢板翅结构真空钎焊的影响
第11期
2010年11月
机械设计与制造
Machinery
Design&Manufacture
79
文章编号:
1001—3997（201011-0079—03
保温时间对304不锈钢板翅结构真空钎焊的影响
;I:
蒋文誊’2巩建鸣:
涂善东z
（1中国石油大学（华东机电工程学院,东营257061（z南京工业大学机械与动力工程学院,南京210009
Effectofholdingtimeonvacuum
brazingfor304stanlesssteeIplate—finstructure
JIANGWen-chunl,2GONGJian-min92,TU
Shan-don92
（1College
ofMechanicalandElectronic
En舀neefing,ChinaUniversityofPetroleum,Dongying
257061,China
（2CollegeofMechanicalandPowerEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China
-+一+.-4,--—卜・—卜-—卜一十一—卜—+-+一+一+-+-+-+--.t--+一+-+一—卜・+一+-+-+一+一+・+-+-+-+-+.--t--
【摘要】应用镍基钎料BNi2对304不锈钢板翅结构进行真空钎焊试验,进行了强度试验和微观组
织观察。
研究了钎焊保温时间对强度和微观细织的影响。
结果表明,保温时间对硼元素扩散影响很大,从而
对强度和微明细[织产生影响。
保温时间太短,硼元素来不及扩散,遗留在钎缝中间生成胞}生化合物,使得接
头强度降低;保温时间太长,会导致母材过度溶解于钎缝,导致缺陷增加,同时太长时问的高温暴露,使得界面出现溶蚀现象。
因此,对于304不锈钢板翅结构的钎焊,保温时间控制在25分钟左右较为合适。
关键词:
不锈钢板翅结构;真空钎焊;保温时间;强度;微观组织【Abstract】The
vacuumbrazingexperiments
of304stainlesssteelplatefin
structureW（18
carriedout.Andthetensiletestsofplatefin
structure
andscanningelectron
microscope（SEMtests
were
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The
effectsofholdingtime
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tensilestrengthandmicrostructurewere
investigated.Theresultsshowthat
theholding
time
hasgreateffect
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tensilestrengthandmicrostructure.ifthek触曙timeistooshort,the
中图分类号:
THl6,TG454文献标识码:
A
板翅式换热器结构紧凑t、传热效率高、轻巧而牢固、适应性
大、经济陛能好,被广泛应用在石油化工、动力机械、原子能和国
防工业等方面m。
我国于20世纪60年代开始生产铝制板翅式换热器,目前其真空钎焊制造工艺已经相当成熟131,但其缺点是承受的温度和压力较低,在高温、高压和具有腐蚀性介质的环境下,需要采用耐高温抗腐蚀性强的材料来制造,如不锈钢、Haynes、
Inconel、Hastelloy,PlanseealloyPM2000等问。
此类材料在板翅式
图l板翅结构
换热器的制造中得到越来越多的使用,如燃汽轮机中使用的回热试验主要目的是讨论保温时间的长短对304不锈钢板翅结器、中间热变换器、高温气冷堆发电和制氢系统【习。
构强度和接头微观组织的影响,从而优化钎焊工艺。
通常,材料强1实验方法
度主要通过单轴拉伸试验获得。
由于板翅结构较为复杂,翅片和隔1.1试验材料以及零部件准备
板的厚度较薄,其结构没有单轴拉伸试验所需夹持部分。
因此,在板翅式换热器的基本单元由翅片、隔板、封条和倒流片组板翅结构的两端分别钎焊厚度较大的钢板,作为拉伸试验所需的成。
它是在隔板（金属平板上放一翅片,再在其上放一隔板。
翅夹持部分。
钢板材料也为304不锈钢。
为获得良好焊接质量的试片和隔板之间预置钎料箔片,然后两边以边缘封条密封而组成样,须将翅片和隔板表面的油污以及灰尘清洗干净。
所采取的方法一个基本单元。
将许多基本单元用专用夹具装夹牢固成后,采用为将隔板和翅片进行酸洗,用NaOH碱液煮沸,再用热水清洗,最真宅钎焊的方法制成板翅式换热器的芯体。
板翅结构基本结构,后用丙酮清洗并吹干密封保存。
将钎料按尺寸裁好后用丙酮清洗如图l所示l心0翅片、隔板材料均为304不锈钢,钎料为BNi一2密封保存。
为保证钢板处钎焊接头的质量,须对钢板钎焊面进行打箔片翅片厚度为0.2mm,隔板厚度为0.4ram,钎料箔片厚度为
磨、抛光（机械打磨至800#砂纸,打磨后将钢板用NaOH液碱煮105/xm。
沸洗,再分别用热水、丙酮清洗后吹干密封待用。
★来稿日期:
2010-01—22★基金项目:
国家自然科学基会资助项FI（10472043,江苏省自然科学基金（BK2004214,
江苏省普通高校研究生科研创新计划（2007
万方数据
80
蒋文春等:
保温时间对304不锈钢板翅结构真空钎焊的影响
第11期
将清洗后的三层翅片以及隔板交错叠置在上下两块厚钢板
之间,钎料箔片预置在翅片和隔板之间,并用夹具夹持牢固。
夹具所起作用主要是用来夹紧钎焊件,防止装配件在搬运以及钎焊过程中的错位。
夹具上下夹板和钢板的接触面须涂阻焊剂,防止钢板和夹板在高温下熔为一体。
所需压力通过钢板以及上夹板的重力来获得。
1.2真空钎焊试验
试验所采用的真空钎焊炉型号为VHB-6612L,是一种单室、卧式、内循环气冷真空炉。
该设备主要由真空系统、加热系统、风冷系统、自动控制系统以及保护系统等组成,被广泛应用于高温真空钎焊领域。
炉内真空度低于O.01Pa。
为了使钎焊过程稳定进行,在制定工艺参数时,采用阶梯状分级加热的工艺参数,使钎焊构件受热均匀。
钎焊加热工艺曲线,如图2所示。
67
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川.}.
八
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时同t/min
图2304不锈钢板翅结构钎焊工艺步骤
由图可知,整个钎焊过程共分为七步,具体解释如下:
1.2-1抽真空阶段
真空度为o.0lPa。
其目的是有效去除金属表面氧化膜,提高表面润湿性;减少接头气孔、夹杂等缺陷;
1.2.2加热阶段
为减小热应力,缓慢加热到8500C,时间为50mln;
1.2.3保温阶段
在8500c下保温30rain,充分排除炉中结构在钎焊过程中挥发的杂质和气体;
1.2.4加热阶段
继续缓慢加热到钎焊温度（卟1050。
C,时间为30min;
1.2.5保温阶段
在钎焊温度1050。
C下保温25分钟,使钎料元素充分扩散;
1.2.6真空缓慢冷却
从10500C到620。
C,采用真空缓慢自冷,目的是使钎焊接头在高温下利用蠕变松弛效应而释放部分残余应力,防止裂纹的产生,提高板翅结构的强度;
1.2.7充氮快冷
从620。
C起,向炉中充氮气,同时启动真空钎焊炉的风机,使结构快速冷却到40。
C后出炉。
2实验结果与讨论
根据1.2设计的钎焊工艺,保持其它参数不变,采用保温10、17、25、33、40min分别进行钎焊,分别进行强度试验和微观组
织分析,讨论保温时间的影响。
将钎焊后获得的304不锈钢板翅结构采用线切割的方法加工成,如图3所示拉伸试样,长、宽、厚分别为120,25,3mm。
强度试验在Instron5896材料试验机上进行,强度试验计算面积为25x3mm2。
接头微观组织形貌采用FEI公司生产的环境扫描电镜Quanta200进行观察。
图3304-6锈钢板翅结构拉伸试样
2.1保温时间对抗拉强度的影响
如图4所示。
保温时间对304不锈钢板翅结构抗拉强度的影响。
可知在一定的钎焊工艺下,随着保温时间延长,板翅结构的强度增加,但是当达到一定的保温时间（25分钟后,其强度又降低。
图4保温时间对抗拉强度的影响
2.2保温时间对微观组织的影响
如图5所示,保温时间为25分钟所获得的钎焊接头微观组织。
由图可知,钎缝中间区域（如图5a所示以及钎角区域（如图5b所示呈现不同形貌,但是总体上可以分为四部分:
（1母材扩散区（DAZ:
Diffusion-affectedzone:
硼原子向母材扩散后形成的不同于母材的组织;
（2界面反应区（IRZ:
Interfacereactionzone:
是母材与钎料之间发生相互物理和化学反应溶解冷却后形成的,它包含固溶体和金属间化合物;
（3等温凝固区（Isz:
Isotherma//ysolidifiedzone:
主要由Ni、cr、Fe、Si等互溶而成的固溶体组织;
（4钎缝（钎角中心区（AsZ:
Athermally
solidified
zone:
是
没有扩散的B和合金元素生成的化合物。
在中间区域,主要是B和cr生成的长条状或者点状的化合物.
图5保温25min钎焊接头微观组织:
万方数据
No.1l
NOV.2010机械设计与制造8l
在钎角区域,其生成的相比较复杂。
EDS能谱分析表明,钎角区域一共存在四种相,分别为点状硅化镍c,块状硼化镍D,网状硼化镍和硅化镍的混合相E以及固溶体,,微观组织形貌分别如图6（a、（b、（c和（d所示,其成分如表1所示。
由表1可知,对于点状化合物C,主要元素为&和M,含量分别占21.96%和72.51%,为硅化镍相;对于块状化合物D,主要元素为曰和M,含量分别占19.28%和59.91%,为硼化镍相;对于网状化合物E,主要元素为口、si以及M,分别占6.9%、12.68%、76.59%。
为硼化镍、硅化镍混合相;对于固溶体,相,主要由M、cr、&、屁四种元素组成,无曰元素。
图6钎角化合物
表1钎角四种相的化学成分（inwP/.
如图7所示,给出了保温时间lO分钟所得接头中间区域的微观组织形貌。
由图可知,在钎缝中间区域,如图7（a所示,和图5a相比,由于保温时间较短,钎焊扩散时间较短,钎料中的硼元素没有来得及完全扩散,遗留的硼元素和钎料合金在钎缝中间区域生成了较多的脆性相,EDS表明这些化合物主要为硼化铬化合物。
钎角区域的微观组织如图7（b所示,其主要成分为网状Ni—Si—B混合相和点状硼化镍为主。
图7保温10rain的304不锈钢板翅结构钎焊接头微观组织
如图8所示,给出了保温时间为40min时所得到的钎焊接头微观组织形貌。
在钎缝中间区域,和图5（a相比,可见随着保温时间增加,钎缝中间区域脆性化合物增多,且出现了微裂纹。
在界面区域,出现溶蚀现象,导致孔洞增加,如图8（b所示,导致强度降低。
EDS能谱分析表明。
钎缝中Fe元素的含量增加,说明随着保温时间的增加,母材过度地溶解于钎料,使得扩散至母材中的部分硼元素随着母材的。
、
图8保温40rain304不锈钢板翅结构钎焊接头微观组织
溶解又返回钎缝,从而导致钎缝中的脆性相的含量增加。
钎角区域的微观组织分别如图8（c和（d所示,可知,随着保温时间的增加,钎角区域网状化合物减少,各相分布趋于均匀且组织变得细小。
3结论
（1304不锈钢板翅结构钎焊接头主要由四部分组成:
母材扩散区、界面反应区、等温凝固区、钎缝（钎角中心区。
钎角主要由四种相组成:
硅化镍,硼化镍,硼化镍和硅化镍的混合相以及固溶体。
（2随着保温时间增加,抗拉强度先增加,然后降低。
保温25分钟的抗拉强度最高。
（3保温时间的长短对钎料元素的扩散影响很大。
保温时间太短,硼元素来不及扩散,遗留在钎缝中间生成脆性化合物,使得接头强度降低;保温时间太长,又会导致母材过度溶解于钎缝,导致缺陷增加,同时太长时间的高温暴露,使得界面出现溶蚀现象。
因此,对于304不锈钢板翅结构的钎焊,保温时间控制在25分钟左右较为合适。
参考文献
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1--4万方数据
保温时间对304不锈钢板翅结构真空钎焊的影响
作者:
蒋文春,巩建鸣,涂善东,JIANGWen-chun,GONGJian-ming,TUShan-dong
作者单位:
蒋文春,JIANGWen-chun（中国石油大学（华东机电工程学院,东营,257061;南京工业大学,机械与动力工程学院,南京,210009,巩建鸣,涂善东,GONGJian-ming,TUShan-dong（南京工
业大学,机械与动力工程学院,南京,210009
刊名:
机械设计与制造
英文刊名:
MACHINERYDESIGN&MANUFACTURE
年,卷（期:
2010（11
参考文献（6条
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2007,32（z1
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