316L板翅结构钎焊接头力学性能试验

? 316L板翅结构钎焊接头力学性能试验 316L板翅结构钎焊接头力学性能试验

舒双文， 周帼彦， 陈 兴

(华东理工大学 机械与动力工程学院 承压系统与安全教育部重点实验室，上海 200237)

摘 要：采用高温短时拉伸试验和相应数学模型分析研究了316L T形钎焊接头的力学性能. 使用扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)分析了失效钎焊接头裂纹尖端和焊缝区域的微观组织及性能，进一步探讨了板翅钎焊结构的失效机理. 结果表明，基于T形板试样的高温拉伸载荷位移曲线能较好地反映焊缝的起裂和裂纹扩展过程，1～2 mm/min为合理的试验加载速率取值范围；钎焊过程中焊缝区会出现明显的铁元素富集现象，为板翅结构高温失效的主要诱因.

关键词：钎焊；力学性能；微观组织；失效机理；断裂能

0 序 言

板翅结构热交换装置作为航空航天、核能动力、石油、化工等一体化高温系统的关键设备，主要采用钎焊进行封装. 由于其结构不连续，钎角位置为应力集中点，且存在脆性化合物[1,2]，加之长期服役于高温高压的苛刻环境，其裂纹和空洞等表面和体积缺陷在运行过程中受到复杂载荷和温度波动的影响，微裂纹逐渐长大，最终相互联系产生断裂痪[3]，使焊接接头成为设备装置的薄弱点.

陈兴等人[4]对T形钎焊接头裂纹扩展进行了有限元数值模拟，结果表明采用T形接头的研究方法具有较强的可行性. 在钎焊接头试验研究中，陈兴[4]和Soltani等人[4,5]分别采用圆棒搭接接头试样测试了钎焊接头的抗拉强度和抗剪强度.

目前关于板翅结构的焊缝失效机理研究尚不完善，缺少完整的、可靠的力学性能试验测试标准[6,7]. 文中根据板翅结构的实际受力情况，试制T形钎焊接头试样，并对其进行高温短时拉伸试验及其微观组织分析，进一步探讨板翅结构钎焊接头的失效机理，以期为钎焊板翅结构在高技术领域的设计应用提供指导.

1 试验方法

典型的板翅换热器结构如图1所示[8]，上下槽道间的压力差使焊缝受垂直于焊面的拉伸力的撕裂作用，微裂纹先在焊缝边缘产生，然后向焊面内部扩展. 圆棒单轴拉伸和搭接接头拉伸试验方法得到的结果并不能准确表征板翅结构钎焊接头的力学性能. 因此需采用与实际受力形式更接近的T形试样进行试验.

图1 板翅结构

Fig.1 Schematic of plate-fin structure

文中研究的换热器材料是抗腐蚀性强、耐高温的不锈钢，板翅和隔板采用的均是316L. T形试样母材采用厚度为0.9 mm的316L板材，钎焊工艺参考文献[9]，钎料为BNi2,示意图如图2所示.

图2 T形试样尺寸(mm)

Fig.2 Schematic of T type experimental for tensile properties

采用的测试设备包括：电子万能试验机、夹具、加热炉、温控系统和控制系统，如图3所示.

图3 试验装置示意图

Fig.3 Schematic drawing of testing equipment

温控系统与控制系统相连，由控制系统显示、记录和控制升温过程. 开始试验时将加热炉的温度升温至450 ℃，保温20 min,然后开启电子万能试验机，开始拉伸加载，加载速率为0.5～2.5 mm/min，控制系统开始记录载荷、位移的数据.

2 试验结果及分析

2.1 力学性能表征

取其中两组试验数据，加载速率为1 mm/min和2 mm/min时高温短时拉伸试验得到的载荷位移曲线如图4所示. 载荷变化清楚地反映了焊缝的整个失效过程. T形拉伸试样的受力过程明显分为2个阶段：第一阶段为弹性阶段，载荷—位移基本呈线性关系；第二阶段为塑性开裂阶段，当载荷上升达到最大点时，载荷达到焊缝的承受抗拉极限，开始进入塑性阶段，焊缝开裂，裂纹向焊面内扩展. 由于应力集中的影响，裂纹处的承载能力减小，载荷逐渐下降. 开裂后裂纹端口处开口角度逐渐增大后趋于一个稳定值，应力集中和受力都达到稳态阶段，载荷—位移曲线趋于平缓，裂纹向前匀速扩展.

图4 高温拉伸试验结果

Fig.4 Result of high temperature tensile test

为了得到表征拉伸试样的力学性能的主要参数界面断裂能Gc和起裂时的最大载荷Fmax，对试验结果进行处理，通过积分方式获得焊缝开裂扩展所需要的断裂能，拟合得到如下数学模型,即

(1)

破坏单位面积的焊缝所需的断裂总能

(2)

式中:D为焊接段宽度;L为焊缝裂开段长度. 计算得到加载速率为1 mm/min和2 mm/min条件下的断裂总能分别为G1=71.23 mJ/mm2，G2=76.19 mJ/mm2. 断裂总能G包含破坏焊缝界面所需的界面断裂能Gc和塑性弯曲变形所消耗的耗散能Gd，即G=Gc+Gd，Gc可由下式[10,11]进行计算,即

(3)

式中:ReL为母材的屈服强度；E为母材的弹性模量；h为母材厚度；Δ为在新的裂纹表面生成之前界面层被撕开的长度，可通过下式计算得到,即

(4)

式中:Ea为焊缝材料的弹性模量；hc为焊缝厚度；由于hc相比母材厚度h很小，可以忽略不计，则上式简化为

(5)

由此得到界面断裂能的计算公式为

(6)

式中:母材的屈服应力ReL=134 MPa,母材的弹性模量E=161 GPa,母材厚度h=0.9 mm,计算得到Gc1=53.81 mJ/mm2, Gc2=61.56 mJ/mm2，由测得的载荷位移曲线得到Fmax1=1 210 N，Fmax2=1 150 N.

2.2 加载速率的影响

试验加载速率的变化引起单位时间塑性变形量的差异，试验结果因此产生区别. 文中取了5个加载速率下的试验结果进行对比，加载速率与Gc，Fmax的关系如图5所示. 在0.5～2.5 mm/min加载范围内随着加载速率的增大，Gc，Fmax均呈现先上升后下降的趋势，在v=1.5 mm/min时达到最大值. 在0.5～1.5 mm/min范围内，加载速率越高破坏焊接层所需能量越大. 拉伸试验中加载速率增加会提高焊缝中应变速率，增加位错运动的阻力，宏观上表现为焊缝起裂及裂纹扩展过程中即时载荷上升. 当加载速率大于1.5 mm/min时，在高应变速率下，裂纹尖端塑性变形能力尚未得到充分发挥就进入了断裂阶段. 在载荷F达到最大时正是裂纹起裂并开始向焊接面内部扩展的时候，此时裂纹张开角很小，接近为零，裂纹的扩展速率开始急剧上升，应变速率大，应变强化作用减弱，此时抗拉强度不再随着加载速率的升高而增大. 因此，1～2 mm/min为合理的试验加载速率取值范围.

图5 加载速率对力学性能的影响

Fig.5 Effect of loading rate on mechanical property

2.3 微观组织分析

取试验温度为450 ℃，加载速率为2 mm/min试验条件下的失效试样，截取未起裂的焊接段和起裂失效段，对其进行微观组织分析. 焊缝SEM形貌如图6所示，焊接宽度为43 μm. 从图6中可以清晰地看到焊缝分为4个区：A焊缝中心区，B等温凝固区，C界面反应区，D母材扩散区. 其中A区和B区为溶体组织，C区包含固溶体组织和金属性化合物，D区为母材组织和沿晶间扩散的硼化物,可以看出焊缝中心区存在点状脆性相和空穴，由EDS测试可知焊缝中心区主要成分为Ni，Fe，Cr，Si元素，含量分别为73.6%,6.5%,8.8%,5.6%.

图6 焊缝微观组织

Fig.6 Microstructure of welding joint

对焊缝裂纹尖端进行金相试验观察，如图7所示，从已经撕裂的断面上可以清楚地看到焊料基本均匀地附着在上下两侧的母材上. 结果表明，80%试样的裂纹均沿着焊缝中间向前扩展，图7所见的中间层的缺陷路径是主要的裂纹扩展路径，焊缝中心区为整个焊缝中力学性能最差的区域.

图7 裂纹尖端微观组织

Fig.7 Microstructure of crack tip

在金相试验抛光过程中发现焊材区磨损的速度比母材区快很多，焊材区的硬度远低于母材区和近母材区，在高温拉伸试验中表现为其抗拉强度远低于近母材区. 从图7中可以看出界面反应区会有一些比较明显的空穴，容易成为起裂点，但只是在少数界面反应区出现较大缺陷时该缺陷附近的焊材会从界面处被撕裂，裂纹扩展路径基本与焊缝中心线吻合. 虽然由于焊材与材料属性差异，界面反应区容易成为裂纹起裂的危险区，但拉伸试验中裂纹是沿着焊缝中心区扩展，说明焊缝中心区的脆性相和空穴等缺陷过多使得焊缝中心区的强度比界面反应区低. 焊缝中心区的强度反应了接头整体力学性能，而该区域的缺陷成为影响钎焊接头力学性能的关键因素.

通过对断面进行SEM观察发现断面上出现许多形状规则的圆球状物质，如图8所示，直径范围为从3～8 μm. 由EDS测试结果可知圆球的主要成分为Fe,Cr和Ni元素,其含量分别为67%,14.9%和9.9%. 球状物质为在进行高温焊接时焊料中残存的少量Fe元素富集而成，是存在于焊材区中的硬质物质，因为形状比较规则，起不到增加位错阻力的作用. 由于焊材区硬度偏低，微孔洞易在球形物周围区域形成，当孔洞长大到一定尺寸，相互连接形成微裂纹，Fe元素富集点易先形成微裂纹. 断面图中球状周围出现明显的韧窝，表明拉伸试验中焊缝区出现的是韧性断裂.

图8 断面微观组织

Fig.8 Microstructure of fracture section

结合力学试验和微观组织分析，板翅换热器钎焊层所占面积比例大，焊缝尺寸小，存在多场耦合作用，Fe元素富集，诱使焊缝中心的等温凝固区形成脆性相、空穴等各类缺陷，成为板翅结构高温失效的主要诱因.

3 结 论

(1) 力学性能测试结果能够清楚地反映焊缝的整个失效过程，以界面断裂能和起裂时的最大载荷表征试样力学性能，对板翅换热器的强度设计具有一定的指导意义.

(2) 在0.5～2.5 mm/min加载范围内，随着加载速率的增大，界面断裂能和最大载荷呈现先上升后下降的趋势，在加载速率为1.5 mm/min时均达到最大. 试验加载速率1～2 mm/min为合理的试验加载速率取值范围.

(3) 以BNi2为焊料的焊缝中会出现明显的Fe元素富集现象，形成Fe元素含量高的球形物质，诱使焊缝中心的等温凝固区形成脆性相、空穴等各类缺陷，成为板翅结构高温失效的主要诱因.

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收稿日期：-12-11

基金项目：浦江人才计划项目

中图分类号：TG 407

文献标识码：： A

文章编号：： 0253-360X()12-0083-04

作者简介：舒双文，男，1989年出生，硕士研究生. 研究方向为高温结构完整性. Email: shw_sh@

通讯作者：周帼彦，女，教授. Email: zhougy@

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