近年来,随着旧的烧煤锅炉的淘汰,采用真空钎焊工艺制备的奥氏体不锈钢换热器正获得日益广泛的应用。钎焊结构的接头质量与焊接材料和焊接工艺相关,由于材料热物理性能的差异,钎焊冷却过程,特殊的翅片管钎焊结构发生冷却收缩不均,管材局部产生塑性变形和残余应力,而变形及残余应力将对换热器整体使用性能产生影响。目前翅片管式结构换热器的钎焊工艺对换热器可靠性的研究尚未有报道。

       本文研究了铜钎焊不锈钢翅片管式换热器钎焊工艺对其可靠性的影响。基于有限元软件ANSYS,采用顺序耦合的方式仿真模拟翅片管结构真空钎焊冷却过程,得到了翅片管模型随时间变化的温度场结果,以及S43000铁素体不锈钢翅片,AISI 316L奥氏体不锈钢管材,铜基钎料组合焊接结构在钎焊过程中产生周期波纹型变形的结果,并模拟了对应翅片间隙处奥氏体不锈钢管材产生局部应力集中以及局部塑形变形,检测钎焊后管材内表面的微观轮廓形貌和截面显微硬度,检测结果证实了模拟仿真结果。对钎料的填充尺寸和焊缝金相组织进行分析,研究发现铜基钎料存在沿奥氏体不锈钢晶间渗透的倾向,进行标准钎焊接头拉伸实验,焊接件断裂均发生在不锈钢件上,焊缝的焊接强度高于不锈钢本身强度,焊接过程对不锈钢管材的力学性能影响不大。但采用翅片管式钎焊结构后,管材的延伸率显著降低。

       焊缝区域的铜的腐蚀电位低于AISI316L不锈钢,因此,在焊缝附近会发生电偶腐蚀,采用模拟高压水循环设备进行加速模拟实验评价焊缝组织极端条件下的耐腐蚀性能,结果表明:经过60天浸泡,3.5%Na Cl热盐水循环的测试,焊缝发生少量点腐蚀现象,但未发现有漏水现象。针对钎焊后不锈钢管材产生的变形及应力,研究了不同退火温度对管材截面显微硬度,抗拉强度,塑性,抗晶间腐蚀性能的影响,结果表明:800℃,2小时保温时间的退火态管材局部应变区被消除,且管材塑性提高,抗晶间腐蚀性满足使用要求。从实际应用的状况来看,未退火的换热器主要的失效形式为热疲劳开裂,通过退火处理降低了换热器的开裂倾向,而部分换热器在使用过程中由于过热引发铜脆裂纹和热腐蚀穿孔失效问题。