調溫器不銹鋼尾柄焊接開裂分析

朱文彪

摘要：本文首先闡述了調溫器的相關簡介，并詳細分析了其開裂原因與預防策略。

關鍵詞：調溫器;開裂原因;預防策略

發動機調溫器是控制冷卻液流動路徑的閥門，它通常被稱為節溫器。其內部通常含有感溫組件，利用感溫組件感應冷卻液溫度引起的熱脹冷縮效應，以控制止回閥的開閉，調節冷卻液在發動機中的小循環與大循環，使冷卻液溫度在適當的范圍內。

一、調溫器簡介

調溫器也稱之為節溫器，是控制冷卻液流動路徑的閥門。作為一種自動調溫裝置，它通常包含感溫元件，通過膨脹或冷縮來打開和關閉空氣、氣體或液體的流動。其功能是根據發動機冷卻水的溫度自動調節進入散熱器的水量，以改變水的循環范圍，從而調節冷卻系的散熱能力，進而保證發動機在適當的溫度范圍內工作。另外，在發動機開始工作后，由于水溫不是很高，此時節溫器處于關閉狀態，冷卻液只在發動機內部流動，不流向散熱器，這通常被稱為小循環。當發動機繼續工作，水溫持續升高時，節溫器開始打開，冷卻液流向散熱器，此時小循環逐漸閉合，開始進行大循環。

一般來說，水冷系統的冷卻液從機體流入，從氣缸蓋流出。大多數節溫器安裝在氣缸蓋的出水管路中。這種布置的優點是結構簡單，易于去除水冷系統中的氣泡;缺點是節溫器工作時會產生振蕩現象。例如，在冬季起動冷態發動機時，因冷卻液溫度低，節溫器閥關閉。當冷卻液處于小循環時，溫度迅速上升，節溫器閥開啟。同時，散熱器中的低溫冷卻液流入機體，使冷卻液再次冷卻，節溫器閥重新關閉。當冷卻液溫度再次升高時，節溫器閥又再次打開。在所有冷卻液的溫度穩定后，節溫器閥才趨于穩定，并且不會反復開閉。節溫器閥在短時間內反復啟閉的現象稱為節溫器振蕩。當這種現象發生時，會增加汽車的燃油消耗量。此外，節溫器還可布置在散熱器的出水管內。這種布置方式能減少或消除節溫器振蕩現象，并能精確控制冷卻液的溫度，但其結構復雜，成本高，主要用于高性能汽車和冬季經常高速行駛的汽車上。

二、開裂原因與預防策略

1、冷變形強化。奧氏體不銹鋼是一種不能通過熱處理來使其強化，但可通過冷加工使其強化的不銹鋼。

金屬在低溫塑性變形時，隨著變形量的增加，金屬的硬度與強度增加，塑性與韌性降低。這種現象被稱為金屬的“冷變形強化”，也稱為“冷加工強化”、“冷作硬化”或“應變強化”。

與其它金屬一樣，奧氏體不銹鋼在冷成形過程中，材料發生了塑性變形，材料的晶體由于塑性變形而產生滑移及孿生，致使晶格的位錯缺陷相應增加。隨著變形量的增加，位錯密度增大，位錯間的相互作用增強，從而提高了材料的硬度與強度，以及降低了材料的塑性與韌性，即奧氏體不銹鋼尾柄存在“冷變形強化”現象。當冷變形強化發展到一定程度時，如果塑性變形繼續發生或在較大應力作用下，可能導致其開裂缺陷的產生。

2、馬氏體相變。馬氏體相變是指替換原子無擴散切變（原子沿相界面作協作運動），使其形狀發生改變的一級、形核-長大型相變。

根據馬氏體相變理論，當 溫度（馬氏體開始形成的溫度，也稱為“馬氏體點”）以上，在 溫度（塑性變形促進馬氏體相變的最高溫度，也被稱為“形變誘發馬氏體相變的臨界溫度”）以下，即在 ～ 溫度之間，塑性變形能促進奧氏體不銹鋼發生馬氏體相變（塑性變形為馬氏體相變提供了機械驅動力），部分面心立方奧氏體組織（ 相）轉變為應變誘發馬氏體組織;應變誘發馬氏體（以下簡稱馬氏體）包括條狀、體心立方結構且具有鐵磁性的 相馬氏體和片狀、密排六方結構且無鐵磁性的 相馬氏體。其中 相馬氏體是在 ～ 過程中因形狀變化較大而產生的中間產物。

室溫（25℃左右）正介于奧氏體不銹鋼的 ～ 溫度之間;在室溫下塑性變形過程中，奧氏體不銹鋼中部分奧氏體組織易于轉變為馬氏體，且隨著變形量的增加，馬氏體轉變量也隨之增加。

此外，與奧氏體組織相比，馬氏體組織具有較硬與較脆的特性。因不同特性的奧氏體與馬氏體組織共存，奧氏體不銹鋼尾柄冷成形后容易形成顯微裂紋，在塑性變形持續發生或較大應力作用下，這些顯微裂紋容易產生開裂缺陷。

隨著馬氏體含量的增加，奧氏體不銹鋼材的強度與硬度也隨之增加，而塑性與韌性隨之降低。這種相變強化與冷變形強化效果相同，并且馬氏體的形核與長大與冷變形強化的原因（滑移位錯和孿生位錯）直接相關。因此，從晶體學的角度看，奧氏體不銹鋼的冷變形強化與相變強化密切相關，可視為“兩位一體”。甚至有人進一步認為，組織變化即（部分奧氏體組織轉變成馬氏體組織）是奧氏體不銹鋼冷變形強化的實質。

3、腐蝕性環境的影響。馬氏體的腐蝕電位低于奧氏體腐蝕電位;當在腐蝕環境中馬氏體和奧氏體兩相共存時，作為陽極的馬氏體和作為陰極的奧氏體，它們構成腐蝕微電偶對，形成電偶腐蝕（陽極優先溶解）;同時，電偶腐蝕容易引起點蝕及應力腐蝕。因此，奧氏體不銹鋼的組織變化增加了電偶腐蝕、點蝕及應力腐蝕的敏感性。

4、原因分析。奧氏體不銹鋼冷成形開裂的主要原因是：1）在冷成形過程中，奧氏體不銹鋼（特別是亞穩態奧氏體不銹鋼）易發生組織變化，致使材料強度、硬度及脆性增加，而塑性、韌性及耐蝕性下降。當組織變化發展到一定程度且在塑性變形繼續發生時或在較大應力作用下，可能導致開裂;2）在腐蝕環境中，由于組織變化而形成的馬氏體容易產生腐蝕現象，從而加劇了開裂程度。

5、預防策略。鑒于以上原因，為避免奧氏體不銹鋼尾柄開裂，可采取以下預防措施。

1）在設計中，設計人員應考慮亞穩態奧氏體不銹鋼在冷成形過程中易發生組織變化的特點，盡量選擇穩定性更好的穩態奧氏體不銹鋼。

2）尾柄制造企業應提高各自冷成形加工工藝，盡力減少各自加工工藝中馬氏體轉變量（例如，在條件允許的情況下，可采用溫成形工藝，將尾柄加工的塑性變形溫度控制在遠大于室溫且略低于最低敏化溫度的范圍內）。

3）冷成形溫度可高于室溫且低于150℃，以提高成形溫度可顯著減少奧氏體轉變為馬氏體相的數量（通常可降低數倍），并使變形引起的塑性變形減到最小。

4）為有效防止開裂，奧氏體不銹鋼冷成形后，應在直邊段、過渡區、拼接焊縫及焊縫熱影響區等部位測量組織變化情況，當發現組織變化較大時（如鐵素體儀測量值大于23%體積分數或硬度計測量值大于300HB），應進行熱處理以恢復材料性能。

參考文獻：

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[2] 張壽祿.典型不銹鋼晶間腐蝕敏化溫度的研究[J].中國腐蝕與防護學報，2015，26（01）：1-5.

（作者單位：曲阜天博汽車零部件制造有限公司）