调温器不锈钢尾柄焊接开裂分析

朱文彪

摘要：本文首先阐述了调温器的相关简介，并详细分析了其开裂原因与预防策略。

关键词：调温器;开裂原因;预防策略

发动机调温器是控制冷却液流动路径的阀门，它通常被称为节温器。其内部通常含有感温组件，利用感温组件感应冷却液温度引起的热胀冷缩效应，以控制止回阀的开闭，调节冷却液在发动机中的小循环与大循环，使冷却液温度在适当的范围内。

一、调温器简介

调温器也称之为节温器，是控制冷却液流动路径的阀门。作为一种自动调温装置，它通常包含感温元件，通过膨胀或冷缩来打开和关闭空气、气体或液体的流动。其功能是根据发动机冷却水的温度自动调节进入散热器的水量，以改变水的循环范围，从而调节冷却系的散热能力，进而保证发动机在适当的温度范围内工作。另外，在发动机开始工作后，由于水温不是很高，此时节温器处于关闭状态，冷却液只在发动机内部流动，不流向散热器，这通常被称为小循环。当发动机继续工作，水温持续升高时，节温器开始打开，冷却液流向散热器，此时小循环逐渐闭合，开始进行大循环。

一般来说，水冷系统的冷却液从机体流入，从气缸盖流出。大多数节温器安装在气缸盖的出水管路中。这种布置的优点是结构简单，易于去除水冷系统中的气泡;缺点是节温器工作时会产生振荡现象。例如，在冬季起动冷态发动机时，因冷却液温度低，节温器阀关闭。当冷却液处于小循环时，温度迅速上升，节温器阀开启。同时，散热器中的低温冷却液流入机体，使冷却液再次冷却，节温器阀重新关闭。当冷却液温度再次升高时，节温器阀又再次打开。在所有冷却液的温度稳定后，节温器阀才趋于稳定，并且不会反复开闭。节温器阀在短时间内反复启闭的现象称为节温器振荡。当这种现象发生时，会增加汽车的燃油消耗量。此外，节温器还可布置在散热器的出水管内。这种布置方式能减少或消除节温器振蕩现象，并能精确控制冷却液的温度，但其结构复杂，成本高，主要用于高性能汽车和冬季经常高速行驶的汽车上。

二、开裂原因与预防策略

1、冷变形强化。奥氏体不锈钢是一种不能通过热处理来使其强化，但可通过冷加工使其强化的不锈钢。

金属在低温塑性变形时，随着变形量的增加，金属的硬度与强度增加，塑性与韧性降低。这种现象被称为金属的“冷变形强化”，也称为“冷加工强化”、“冷作硬化”或“应变强化”。

与其它金属一样，奥氏体不锈钢在冷成形过程中，材料发生了塑性变形，材料的晶体由于塑性变形而产生滑移及孪生，致使晶格的位错缺陷相应增加。随着变形量的增加，位错密度增大，位错间的相互作用增强，从而提高了材料的硬度与强度，以及降低了材料的塑性与韧性，即奥氏体不锈钢尾柄存在“冷变形强化”现象。当冷变形强化发展到一定程度时，如果塑性变形继续发生或在较大应力作用下，可能导致其开裂缺陷的产生。

2、马氏体相变。马氏体相变是指替换原子无扩散切变（原子沿相界面作协作运动），使其形状发生改变的一级、形核-长大型相变。

根据马氏体相变理论，当 温度（马氏体开始形成的温度，也称为“马氏体点”）以上，在 温度（塑性变形促进马氏体相变的最高温度，也被称为“形变诱发马氏体相变的临界温度”）以下，即在 ～ 温度之间，塑性变形能促进奥氏体不锈钢发生马氏体相变（塑性变形为马氏体相变提供了机械驱动力），部分面心立方奥氏体组织（ 相）转变为应变诱发马氏体组织;应变诱发马氏体（以下简称马氏体）包括条状、体心立方结构且具有铁磁性的 相马氏体和片状、密排六方结构且无铁磁性的 相马氏体。其中 相马氏体是在 ～ 过程中因形状变化较大而产生的中间产物。

室温（25℃左右）正介于奥氏体不锈钢的 ～ 温度之间;在室温下塑性变形过程中，奥氏体不锈钢中部分奥氏体组织易于转变为马氏体，且随着变形量的增加，马氏体转变量也随之增加。

此外，与奥氏体组织相比，马氏体组织具有较硬与较脆的特性。因不同特性的奥氏体与马氏体组织共存，奥氏体不锈钢尾柄冷成形后容易形成显微裂纹，在塑性变形持续发生或较大应力作用下，这些显微裂纹容易产生开裂缺陷。

随着马氏体含量的增加，奥氏体不锈钢材的强度与硬度也随之增加，而塑性与韧性随之降低。这种相变强化与冷变形强化效果相同，并且马氏体的形核与长大与冷变形强化的原因（滑移位错和孪生位错）直接相关。因此，从晶体学的角度看，奥氏体不锈钢的冷变形强化与相变强化密切相关，可视为“两位一体”。甚至有人进一步认为，组织变化即（部分奥氏体组织转变成马氏体组织）是奥氏体不锈钢冷变形强化的实质。

3、腐蚀性环境的影响。马氏体的腐蚀电位低于奥氏体腐蚀电位;当在腐蚀环境中马氏体和奥氏体两相共存时，作为阳极的马氏体和作为阴极的奥氏体，它们构成腐蚀微电偶对，形成电偶腐蚀（阳极优先溶解）;同时，电偶腐蚀容易引起点蚀及应力腐蚀。因此，奥氏体不锈钢的组织变化增加了电偶腐蚀、点蚀及应力腐蚀的敏感性。

4、原因分析。奥氏体不锈钢冷成形开裂的主要原因是：1）在冷成形过程中，奥氏体不锈钢（特别是亚稳态奥氏体不锈钢）易发生组织变化，致使材料强度、硬度及脆性增加，而塑性、韧性及耐蚀性下降。当组织变化发展到一定程度且在塑性变形继续发生时或在较大应力作用下，可能导致开裂;2）在腐蚀环境中，由于组织变化而形成的马氏体容易产生腐蚀现象，从而加剧了开裂程度。

5、预防策略。鉴于以上原因，为避免奥氏体不锈钢尾柄开裂，可采取以下预防措施。

1）在设计中，设计人员应考虑亚稳态奥氏体不锈钢在冷成形过程中易发生组织变化的特点，尽量选择稳定性更好的稳态奥氏体不锈钢。

2）尾柄制造企业应提高各自冷成形加工工艺，尽力减少各自加工工艺中马氏体转变量（例如，在条件允许的情况下，可采用温成形工艺，将尾柄加工的塑性变形温度控制在远大于室温且略低于最低敏化温度的范围内）。

3）冷成形温度可高于室温且低于150℃，以提高成形温度可显著减少奥氏体转变为马氏体相的数量（通常可降低数倍），并使变形引起的塑性变形减到最小。

4）为有效防止开裂，奥氏体不锈钢冷成形后，应在直边段、过渡区、拼接焊缝及焊缝热影响区等部位测量组织变化情况，当发现组织变化较大时（如铁素体仪测量值大于23%体积分数或硬度计测量值大于300HB），应进行热处理以恢复材料性能。

参考文献：

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[2] 张寿禄.典型不锈钢晶间腐蚀敏化温度的研究[J].中国腐蚀与防护学报，2015，26（01）：1-5.

（作者单位：曲阜天博汽车零部件制造有限公司）