真空钎焊不锈钢板式换热器渗漏原因

2022-03-02应桂元刘洁洁向雄志

理化检验(物理分册) 2022年2期

应桂元, 刘洁洁, 向雄志

(深圳大学材料科学与工程学院, 深圳 518060)

换热器在化工、食品、制药、机械等领域应用广泛，在生产中占有重要地位[1-3]。真空钎焊不锈钢板式换热器宏观形貌如图1所示，其由不锈钢板薄片、垫圈、夹紧装置等组成，制造时预先将不锈钢薄片与铜钎箔交替组合在一起送入钎焊炉，进炉后铜箔在一定温度下熔化成液体，这些液体通过毛细作用吸附在不锈钢板薄片的支撑点和边界上，从而起到密封与加强的作用[3]。真空钎焊不锈钢板式换热器发生失效的形式有：不锈钢薄板发生点蚀穿孔导致泄漏；换热器不锈钢板薄片与密封垫圈处发生缝隙腐蚀导致失效；铜焊料渗透进入不锈钢晶界，晶界成为启裂点而发生失效；换热器钎焊过程的温度过高导致过烧，从而产生破坏失效等[3-4]。

图1 真空钎焊不锈钢板式换热器宏观形貌

某板式换热器中的多层不锈钢导热薄片(见图2)呈现“S”形，这种曲面结构可以提高换热片的传热效率。板式换热器内部的不锈钢薄片表面结构复杂，液体流通通道直径小，在液体的流动过程中其流向及流速不断改变，流体的扰动很大。液体在通过换热器通道时，在低流速下仍然可以呈湍流状态。该换热器工作过程中，液体的流动会对换热器施加一个间歇性的脉冲冲击。不锈钢薄片与换热器外壳板连接的壳体环焊缝接头处是受冲击最严重的区域[4-7]，由图2可以看出，该换热器内表面及侧面均有严重的腐蚀缺陷。笔者对其失效部位进行宏观检查、扫描电镜及能谱分析。

图2 某真空钎焊不锈钢板式换热器中多层不锈钢导热薄片宏观形貌

1 理化检验

1.1 宏观分析

经体视显微镜观察，发现该换热器两侧均存在腐蚀，沿侧面严重腐蚀区域截取试样，在体视显微镜下观察打磨抛光后的试样，漏水处焊缝截面宏观形貌如图3所示，由图3可以看出，某些部位的铜焊料与上下两侧不锈钢基体存在分离现象。

图3 漏水处焊缝截面宏观形貌

将铜焊料与不锈钢基体分离部位切开，发现部分不锈钢薄片发生脱落，漏水处焊缝表面宏观形貌如图4所示，由图4可以看出，铜焊料侧无明显的不锈钢残留，脱落的不锈钢侧表面平整，表面没有明显的铜焊料残留。结合脱落面两侧可以看出，不锈钢与铜焊料之间发生分离。

图4 失效焊缝表面宏观形貌

1.2 扫描电镜与能谱分析

在扫描电镜下观察不锈钢侧表面与铜焊料表面的微观形貌(见图5)，由图5可以看出,不锈钢侧表面平整，晶粒未完全熔融，仅晶界处有轻微熔融现象；铜焊料表面存在网状突起。这些突起的铜焊料渗入不锈钢晶界，从而形成了焊接的嵌套结构。对剥落表面进行能谱(EDS)分析，图6为不锈钢侧表面能谱分析结果，可以看出该表面主要是铁、铬、碳等元素，以及少量的铜元素。图7为铜焊料侧表面能谱分析结果，该表面主要是铜元素与碳元素，几乎不含铁、铬元素。图8为正常钎焊接头的微观形貌，可以看出,与铜焊料接触的不锈钢表面晶粒的晶界出现轻微熔融，铜焊料渗入晶界。图9为正常钎焊接头不锈钢晶界处线扫描能谱分析结果，可以看出正常钎焊接头处也存在铜焊料渗入不锈钢表层晶粒晶界处的现象。

图5 不锈钢侧表面与铜焊料表面微观形貌

图6 不锈钢侧表面能谱分析结果

图7 铜焊料侧表面能谱分析结果

图8 正常钎焊接头的微观形貌

图9 正常钎焊接头不锈钢晶界线扫描能谱分析结果

2 综合分析

从分析结果看，该换热器的失效形式为不锈钢基体与铜焊料分离。从宏观分析可以发现，失效样品局部区域焊料虽然完整地填充了焊缝，但是与不锈钢母材结合较差。由扫描电镜结果以看出：失效接头部位与正常接头部位的铜焊料与不锈钢母材都形成了焊接嵌套结构；失效接头部位的铜焊料与不锈钢母材的结合并不紧密。不锈钢薄片与铜焊料表面的油污在高温下分解形成碳元素。真空钎焊前，如果不锈钢薄片与铜焊料未进行表面处理或者处理不达标，真空钎焊时局部不锈钢表面的Cr2O3氧化膜就不能去除，则局部区域的不锈钢基体与铜焊料结合不紧密，从而出现未熔合现象[7-11]。