擴散焊參數對316L不銹鋼微通道結構板片的焊接影響研究

摘要：基于高效緊湊擴散焊微通道熱交換器領域，為了研究擴散焊接參數對微通道結構板片的焊接性能影響，從而保證擴散焊微通道熱交換器的擴散焊接強度，對其在不同焊接壓力曲線與保溫時間下的樣品性能進行了協同研究。結果表明：在升溫至1"060"℃時，保溫80"min后進行一次焊接壓力釋放，將焊接壓力由8"MPa降到2"MPa，然后再進行階段性升壓，并且升壓速率控制在0.4"MPa/min及以下時，有助于增加微通道板片的焊接強度。

關鍵詞：擴散焊接"微通道結構"316L不銹鋼"升壓速率

中圖分類號：TK17

Research"on"the"Influence"of"Diffusion-Welding"Parameters"on"the"Welding"of"the"Microchannel"Structure"Plates"of"316L"Stainless"Steel

JIANG"Jian’an

（Hangzhou"Shenshi"Energy"Conservation"Technology"Co.，"Ltd.，"Hangzhou，"Zhejiang"Province，"311612"China）

Abstract："In"the"field"of"efficient"and"compact"diffusion-welding"microchannel"heat"exchangers，"this"study"conducts"collaborative"research"on"the"sample"performance"of"microchannel"structure"plates"under"different"welding"pressure"curves"and"holding"time，"in"order"to"study"the"influence"of"diffusion-welding"parameters"on"their"welding"performance，"so"as"to"ensure"the"diffusion-welding"strength"of"diffusion-welding"microchannel"heat"exchangers."The"results"show"that"when"temperature"is"raised"to"1"060℃，"welding"pressure"is"released"once"after"holding"temperature"for"80"minutes，"reducing"the"welding"pressure"from"8MPa"to"2MPa，nbsp;then"the"pressure"is"regularly"increased，"and"that"the"pressure"increase"rate"is"controlled"at"0.4MPa/min"and"below，"which"can"help"increase"the"welding"strength"of"microchannel"plates.

Key"Words："Diffusion"welding;"Microchannel"structure;"316L"stainless"steel;"Boosting"rate

“十四五”規劃中明確規定我國的能源向"“低碳、安全、高效”方向轉型。熱交換器是提高能源利用效率的重要途徑之一，在石油化工、氫能、核電、航空航天等領域得到了廣泛應用。擴散焊微通道熱交換器使用了微通道板片，在薄板上面加工出一定的微小通道，使介質在微小通道內流動，進而起到換熱的作用。擴散焊接技術是制造微通道熱交換器的重要手段之一，是指在一定的溫度和壓力下，把兩個材料緊壓在一起，置于真空或保護氣氛中加熱至固溶處理溫度；在一定壓力下，保壓一段時間，以達到緊密接觸，再經保溫、原子相互擴散而形成牢固的冶金結合的一種連接方法［1］。研究表明：擴散時間的延長可以使中間層元素擴散更加充分［2］。通過擴散焊接工藝制成的微通道熱交換器，結構緊湊、換熱效率高、耐壓強度高，可有效解決對體積有要求的工況下的介質之間的換熱。

對于316L不銹鋼擴散焊接頭而言，焊接溫度過高或過低都可能會影響接頭的焊接性能。胡若琪等人［3］的研究表明，隨焊接溫度升高和保溫時間的延長，接頭焊合率、變形率上升，晶粒尺寸增長，硬度下降，抗拉伸剪切強度先升高后降低。郭志芳等人［4］研究表明，對于316L不銹鋼接頭而言，擴散焊接溫度為1"060"℃時，擴散焊接壓力控制在10～13"MPa，保溫時間控制在60～120"min為推薦的擴散焊接參數。但上述研究只考慮了不銹鋼接頭之間的擴散焊接影響，而未考慮針對微通道結構板片之間的擴散焊接。

本文以316L不銹鋼微通道板片為研究對象，通過調整擴散焊接升壓速率、保壓時間和保溫時間，不同擴散焊接參數下制得的樣品通過氣密試驗、耐壓試驗及壓力脈沖試驗，來分析擴散焊接參數的有效性，進而為高效緊湊式微通道熱交換器擴散焊接的制造工藝提供一定的理論基礎。

1"試樣制做及測試方法

1.1"板片結構

板片材質為316L不銹鋼，板片結構如圖1所示。板片通道通過機加工或光化學蝕刻［5］的方式制得。

本研究中板片的表面粗糙度Ra≤0.4"μm，單張板片的板厚一致性≤0.01"mm，通道槽寬為（1.5±0.1）mm，槽底壁為（0.25±0.05）mm。

1.2"微通道熱交換器芯體

圖1所顯示的兩種板片的交叉堆疊疊放，即形成了交錯的通道。兩種板片交叉堆疊疊放后的整體，稱為微通道熱交換器芯體。本研究所述的熱交換器芯體各采用20張板片堆疊而成，上下各放置一層3"mm的蓋板。

板片堆疊前置于溫度為"30～55"℃的清洗液［φ（"MGC101）"：φ（"去離子水）"="1"：（"25～40）"］中浸泡"10～15"min。其中，MGC101代表的是一種水基油脂清洗劑，表面活性劑、多種助洗劑、助溶劑等的復配混合物，具有滲透、乳化、分散、剝離的功能，對油脂、油污、灰塵及其混合污垢具有優良的清洗作用。

1.3"擴散焊接過程

堆疊后將芯體置于真空度＜5×10-2"Pa"的擴散焊真空爐中心位置進行擴散焊連接。

分別使用3種不同的擴散焊接參數對微通道熱交換器芯體進行擴散焊接。

1.4"測試方法

擴散焊接完成后，分別對第一組擴散焊接參數曲線、第二組擴散焊接參數曲線和第三組擴散焊接參數曲線制得定的熱交換器芯體進行氣密測試，氣密測試的通道泄漏情況如表1所示，氣密測試完成后進行耐壓測試以及壓力脈沖測試。

氣密測試壓力為3.2"MPa；耐壓測試壓力為6.4"MPa；壓力脈沖測試介質為液壓油，測試壓力為1.6"MPa，循環20萬次，頻率0.5"Hz。壓力脈沖測試完成后重新進行氣密測試。

2"試驗結果及機理研究

2.1"試驗結果

對第一組擴散焊接參數制得的熱交換器芯體進行氣密測試，往其中一側通道內通入3.2"MPa的壓縮空氣，熱交換器芯體存在明顯的泄漏，泄漏位置呈不規則狀。

對第二組擴散焊接參數制得的熱交換器芯體進行氣密測試，往其中一側通道內通入3.2"MPa的壓縮空氣，熱交換器芯體存在泄漏，泄漏位置大都位于最邊緣的通道，內部通道側無泄漏。

對第三組擴散焊接參數制得的熱交換器芯體進行氣密測試，往其中一側通道內通入3.2"MPa的壓縮空氣，熱交換器芯體無泄漏。

對第三組焊接參數制得的熱交換器芯體通道進出口處焊接集合罩，進行耐壓測試，耐壓測試壓力6.4"MPa，保壓時間10"min，熱交換器芯體無泄漏、無鼓包、無變形，符合耐壓測試要求。

對第三組焊接參數制得的耐壓測試合格的熱交換器芯體安裝在壓力脈沖測試臺上，進行壓力脈沖測試，測試壓力為1.6"MPa，循環20萬次，頻率0.5"Hz。壓力脈沖測試完成后重新進行氣密測試，熱交換器芯體無泄漏，符合壓力脈沖試驗要求。

2.2"機理研究

Somekawa"等人［6］指出，提高擴散焊壓力能夠顯著地促進界面空洞的愈合。因此擴散焊接時，需要持續不斷的在上下施加一定的壓力。

但是對于微通道板片結構擴散焊接工藝而言，微通道板片存在通道，因此在擴散焊接施壓時，通道位置得不到有效的施壓，其擴散焊接時的傳力性能較差，因此郭志芳等人[7]研究提供的擴散焊接參數會導致在通道處焊合的概率較低。

在擴散焊接加熱過程中，由于基體熱膨脹的影響，實體部分的膨脹量會比通道位置的膨脹量大很多，而通道位置底壁較薄，極易導致通道處擠壓扭曲，所產生的空洞不足以通過基體焊接變形量來彌補，從而造成通道位置泄漏。

史新鑫［8］等人指出，隨著焊接壓力的增大，流道界面軸向壓應力增大，軸向應力沿流道的分布也愈加不均勻。在加熱到擴散焊接所需要的溫度時，可以通過釋放擴散焊接壓力，來釋放由于加熱過程基體膨脹產生的熱應力，減小基體膨脹產生的扭曲空洞，使通道趨于平整。因此當擴散焊接參數釋放壓力時，熱交換器芯體泄漏位置明顯減少，泄漏位置只出現在與實體位置接觸的第一個通道。

但是第二組參數仍然存在與實體接觸的第一通道泄漏的問題，因此需要繼續進行參數優化。實驗結果表面，通過增加擴散焊接升壓的速率，使升壓速率降低到0.4"MPa/min以下時，可以有效避免由于升壓速率太快導致的通道底壁擠壓扭曲的問題，板片的設計變形量可以有效彌補由于擠壓扭曲而產生的空洞，因此可以有效的進行擴散焊接。

3"結論

不同的擴散焊接升壓曲線，會對擴散焊接合格率產生影響，只通過升壓的壓力參數，其板片通道焊合效果劣于升壓后降壓再升壓的壓力參數。在升溫至1"060"℃時，保溫80"min后進行一次焊接壓力釋放，將焊接壓力由8"MPa降到2"MPa，然后再進行階段性升壓，并且升壓速率控制在0.4"MPa/min及以下時，有助于增加微通道板片的焊接強度。

降壓時，建議將壓力降到2"MPa左右，可以有效釋放由于升溫產生的熱應力，從而使通道間的扭曲變形得到有效的釋放，減小板片間的微觀空洞。

升壓時，升壓速率過快會導致工件的瞬間變形，從而影響板片的通道結構，因此增加升壓時間、降低升壓速率可以有效避免通道的瞬間變形，從而減小通道底壁與下板片之間的空洞，從而大大提升微通道類板片之間擴散焊接的焊合率。推薦升壓速率在0.4"MPa以下。

參考文獻

［1］ 胡海軍，李治國，張忠發，等."316L不銹鋼擴散焊工藝研究[J].焊接技術，2021，50（8）：56-59.

［2］ 鄒志超，張小楓."擴散時間對Inconel"718"TLP擴散焊接頭性能影響[J]".電焊機，2021，51（8）"：171-175.

［3］ 胡若琪，紀康康，王穎等."316L不銹鋼擴散焊接頭組織性能分析[J].焊接學報，2023，44（5）：1-6

［4］ 郭志芳，孟凡昌，許小波等."擴散焊工藝對316L鋼接頭力學性能影響及優化研究[J]".焊接技術，2022，51（7）"：22-27.

［5］ 尤學剛，劉新宇，曾冬等."國產印刷電路板式換熱器的首次工業應用研究[J].石油機械，2022，50（2）：46-52.

［6］ Somekawa"H，Watanabe"H，Mukai"T，et"al."Low"temperature"diffusion"bonding"in"a"superplastic"AZ31"magnesium"alloy"[J].Scripta"Materialia，2003，48（9）"："1249-1254.

[7] 郭志芳，孟凡昌，許小波等.""擴散焊工藝對316L鋼接頭力學性能影響及優化研究""""[J].""焊接技術，""2022，""51""（7）：""22-27.

［8］ 史新鑫，李博，李彥默，等"印刷電路板式換熱器焊接質量影響因素分析[J]".熱加工工藝，2023，52（7）"：113-116，121.