真空釬焊不銹鋼板式換熱器滲漏原因

應桂元, 劉潔潔, 向雄志

(深圳大學 材料科學與工程學院, 深圳 518060)

換熱器在化工、食品、制藥、機械等領域應用廣泛，在生產中占有重要地位[1-3]。真空釬焊不銹鋼板式換熱器宏觀形貌如圖1所示，其由不銹鋼板薄片、墊圈、夾緊裝置等組成，制造時預先將不銹鋼薄片與銅釬箔交替組合在一起送入釬焊爐，進爐后銅箔在一定溫度下熔化成液體，這些液體通過毛細作用吸附在不銹鋼板薄片的支撐點和邊界上，從而起到密封與加強的作用[3]。真空釬焊不銹鋼板式換熱器發生失效的形式有：不銹鋼薄板發生點蝕穿孔導致泄漏；換熱器不銹鋼板薄片與密封墊圈處發生縫隙腐蝕導致失效；銅焊料滲透進入不銹鋼晶界，晶界成為啟裂點而發生失效；換熱器釬焊過程的溫度過高導致過燒，從而產生破壞失效等[3-4]。

圖1 真空釬焊不銹鋼板式換熱器宏觀形貌

某板式換熱器中的多層不銹鋼導熱薄片(見圖2)呈現“S”形，這種曲面結構可以提高換熱片的傳熱效率。板式換熱器內部的不銹鋼薄片表面結構復雜，液體流通通道直徑小，在液體的流動過程中其流向及流速不斷改變，流體的擾動很大。液體在通過換熱器通道時，在低流速下仍然可以呈湍流狀態。該換熱器工作過程中，液體的流動會對換熱器施加一個間歇性的脈沖沖擊。不銹鋼薄片與換熱器外殼板連接的殼體環焊縫接頭處是受沖擊最嚴重的區域[4-7]，由圖2可以看出，該換熱器內表面及側面均有嚴重的腐蝕缺陷。筆者對其失效部位進行宏觀檢查、掃描電鏡及能譜分析。

圖2 某真空釬焊不銹鋼板式換熱器中多層不銹鋼導熱薄片宏觀形貌

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

經體視顯微鏡觀察，發現該換熱器兩側均存在腐蝕，沿側面嚴重腐蝕區域截取試樣，在體視顯微鏡下觀察打磨拋光后的試樣，漏水處焊縫截面宏觀形貌如圖3所示，由圖3可以看出，某些部位的銅焊料與上下兩側不銹鋼基體存在分離現象。

圖3 漏水處焊縫截面宏觀形貌

將銅焊料與不銹鋼基體分離部位切開，發現部分不銹鋼薄片發生脫落，漏水處焊縫表面宏觀形貌如圖4所示，由圖4可以看出，銅焊料側無明顯的不銹鋼殘留，脫落的不銹鋼側表面平整，表面沒有明顯的銅焊料殘留。結合脫落面兩側可以看出，不銹鋼與銅焊料之間發生分離。

圖4 失效焊縫表面宏觀形貌

1.2 掃描電鏡與能譜分析

在掃描電鏡下觀察不銹鋼側表面與銅焊料表面的微觀形貌(見圖5)，由圖5可以看出,不銹鋼側表面平整，晶粒未完全熔融，僅晶界處有輕微熔融現象；銅焊料表面存在網狀突起。這些突起的銅焊料滲入不銹鋼晶界，從而形成了焊接的嵌套結構。對剝落表面進行能譜(EDS)分析，圖6為不銹鋼側表面能譜分析結果，可以看出該表面主要是鐵、鉻、碳等元素，以及少量的銅元素。圖7為銅焊料側表面能譜分析結果，該表面主要是銅元素與碳元素，幾乎不含鐵、鉻元素。圖8為正常釬焊接頭的微觀形貌，可以看出,與銅焊料接觸的不銹鋼表面晶粒的晶界出現輕微熔融，銅焊料滲入晶界。圖9為正常釬焊接頭不銹鋼晶界處線掃描能譜分析結果，可以看出正常釬焊接頭處也存在銅焊料滲入不銹鋼表層晶粒晶界處的現象。

圖5 不銹鋼側表面與銅焊料表面微觀形貌

圖6 不銹鋼側表面能譜分析結果

圖7 銅焊料側表面能譜分析結果

圖8 正常釬焊接頭的微觀形貌

圖9 正常釬焊接頭不銹鋼晶界線掃描能譜分析結果

2 綜合分析

從分析結果看，該換熱器的失效形式為不銹鋼基體與銅焊料分離。從宏觀分析可以發現，失效樣品局部區域焊料雖然完整地填充了焊縫，但是與不銹鋼母材結合較差。由掃描電鏡結果以看出：失效接頭部位與正常接頭部位的銅焊料與不銹鋼母材都形成了焊接嵌套結構；失效接頭部位的銅焊料與不銹鋼母材的結合并不緊密。不銹鋼薄片與銅焊料表面的油污在高溫下分解形成碳元素。真空釬焊前，如果不銹鋼薄片與銅焊料未進行表面處理或者處理不達標，真空釬焊時局部不銹鋼表面的Cr2O3氧化膜就不能去除，則局部區域的不銹鋼基體與銅焊料結合不緊密，從而出現未熔合現象[7-11]。

3 結語及建議

換熱器投入使用后，水流不停地對換熱器施加周期性沖擊，局部結合力小且未完全熔合部位的不銹鋼基體與銅焊料逐漸分離，產生縫隙，使換熱器局部滲水。

建議在真空釬焊前加強焊接件表面預處理，清理各不銹鋼薄片與銅焊料表面的油污與殘渣，促進銅焊料與不銹鋼基體相互結合，增強焊料與不銹鋼之間的結合力。