钎焊降温速率对板翅结构钎焊残余应力和等效热变形的影响规律

代忠华, 刘新文, 麻宏强, 王 丽, 张春娥

(1. 甘肃第四建设集团有限责任公司, 甘肃 兰州 730050; 2. 甘肃建投科技研发有限公司, 甘肃 兰州 730050; 3. 兰州理工大学 土木工程学院, 甘肃 兰州 730050)

板翅式换热器是一种典型的紧凑型换热器[1],其作为石油化工系统设备的重要组成部分[2-3],具有结构简洁、介质之间换热效率较高且可以多种换热介质同时进行热量交换等特点[4-5].板翅结构作为板翅式换热器的核心部件[6-7],在钎焊过程中,板翅结构内部会伴随着钎焊残余应力的产生,板翅式换热器在实际运行过程中产生的热应力会与这种钎焊残余应力产生叠加效应,这将对板翅式换热器结构的安全性造成严重影响[8-9].此外,钎焊降温速率的变化会引起板翅结构内部的钎焊残余应力的增大或减少.因此,掌握钎焊降温速率对钎焊残余应力的影响规律,对于降低板翅式换热器内部的应力水平,保证板翅式换热器的安全运行和延长板翅式换热器的使用寿命具有重要的现实指导意义.

目前,对于钎焊残余应力的研究主要集中在如下几个方面,蒋文春等[10]通过运用三维有限元的分析方法,对钎焊制造过程中不锈钢板翅结构内部产生残余应力的过程进行了研究.结果表明,残余应力的最大值出现在板翅结构的钎焊接头处.因此,钎焊接头处为整个板翅结构最薄弱的位置；陈虎等[11]对不锈钢板翅结构在真空钎焊过程中产生的钎焊残余应力的分布情况进行了有限元分析,在翅片和隔板之间的钎焊接头处残余应力分布较为复杂,且钎焊残余应力的最大值同样出现在钎焊接头处；周帼彦等[12]采用有限元的方法,从固化冷却速率和加压组装两个方面对板翅结构的钎焊残余应力进行了分析.结果表明,钎焊接头钎角处的钎焊残余应力随着急速冷却速率的增加而增大,随着加压组装中外加载荷的增加残余应力全部转化为压缩状态；蒋文春等[13]对真空钎焊过程中板翅结构产生的残余应力进行了有限元分析,研究了不同因素的差异对残余应力的影响,从而确定了影响钎焊残余应力的主要影响因素等.这些工作主要集中在对不锈钢板翅结构钎焊过程中钎焊残余应力的研究,而对于钎焊降温速率对铝制板翅结构的钎焊残余应力的影响并未涉及.

本文采用热-结构耦合的有限元方法,基于热-弹性理论,建立了铝制板翅结构的热应力分析模型,模拟分析了不同钎焊降温速率下板翅结构内部的钎焊残余应力的变化情况,得出了铝制板翅结构内部的钎焊残余应力随钎焊降温速率变化的一般规律.

1 有限元模型分析

1.1 物理模型简化

图1为换热器板翅结构的示意图,从图中可以看出铝制板翅结构具有复杂性、周期性和对称性的特点.此外,由于其在长度z方向上的温度梯度变化很小,因此,在综合考虑各种因素和确保模拟结果合理准确的基础上,忽略层数对板翅结构强度的影响.在x方向上取一个周期,在y方向取四层板翅结构(图1中虚线部分),在z方向上仅取很小的一段(长度L)作为研究对象进行分析,其简化模型如图2所示,模型结构参数见表1.

图1 换热器板翅结构的示意图

图2 板翅结构简化模型

表1 板翅结构模型结构参数

1.2 材料属性

铝合金3003和4004在铝制板翅式换热器的加工制造中被广泛应用,本文选取翅片和隔板材料为铝合金3003,钎焊材料为铝合金4004.由于铝合金3003和铝合金4004材料的热膨胀系数、杨氏模量和屈服强度相对于密度、热导率和比热容受换热器温度变化的影响较大,因此本模拟中只考虑温度变化对弹性模量、膨胀系数和屈服强度的影响.铝合金3003和铝合金4004的材料性能参数见表2.

表2 材料性能参数

1.3 边界条件

板翅结构钎焊残余应力的模拟分析,在板翅结构底面和顶面施加y方向固定约束边界,用来模拟夹具对板翅结构的夹持作用；同时,在前壁面施加z方向固定约束边界,在后壁面施加耦合边界条件；在板翅结构内部由翅片和隔板组成的腔体内施加腔体辐射换热边界,模拟板翅结构在钎焊过程中板翅结构内部的辐射换热；在板翅结构左右两端壁面施加对称边界,模拟板翅结构的周期性和对称性,详细的边界条件如图3所示.

图3 钎焊过程中板翅结构残余应力模拟边界条件Fig.3 Boundary conditions for residual stress simulation of plate-fin structure during brazing process

图4是不同钎焊降温速率下真空钎焊炉炉温控制曲线,从图中可以看出整个钎焊过程的温度变化经历了十个步骤：

图4 不同钎焊降温速率下炉温控制曲线Fig.4 Furnace temperature control curve under different brazing cooling rate

1) 经过30 min的加热使钎焊温度从298 K室温升高到633 K；2) 在633 K的温度下保温50 min；3) 经过25 min的加热使钎焊温度从633 K继续升高到743 K；4) 在743 K的温度下继续保温8 min；5) 经过15 min的加热使钎焊温度从743 K进一步升高到843 K；6) 在843K的温度下进一步保温9 min；7) 经过8 min的加热使钎焊温度从843 K再次升高到863 K；8) 在863 K的环境条件下,经过4 min的钎焊扩散后形成钎焊接头；9) 对钎焊炉进行充氮骤冷,使炉内温度从863 K降至373 K；10) 经过60 min的出炉自然冷却,使板翅结构的温度最终恢复到298 K室温.

2 结果与讨论

2.1 板翅结构的残余应力

隔板-钎料之间和翅片-钎料之间的焊缝处以及钎焊接头处,均属于板翅结构的薄弱部位,最容易萌生裂纹,发生断裂,而钎焊残余应力的存在,将会增加板翅结构薄弱部位萌生裂纹,发生断裂的风险性.在钎焊过程中,由于板翅结构在真空钎焊炉中充氮骤冷阶段的冷却速率不同,将导致板翅结构内部钎焊残余应力的大小不同.因此,本文选取了3条典型路径(如图2所示),分析了板翅结构典型位置处的钎焊残余应力分布情况.其中,路径1位于隔板-钎料之间的焊缝处；路径2位于翅片-钎料之间的焊缝处；路径3沿着翅片高度方向,经过钎焊接头位置2处和钎料层位置3处(如图2所示).通过模拟板翅结构在真空钎焊炉中充氮骤冷阶段分别经历20、10、5、2.5 K/min 4种不同的钎焊降温速率来研究钎焊降温速率对板翅结构典型位置处钎焊残余应力大小的影响,从而得到不同钎焊降温速率引起板翅结构发生断裂风险的一般规律.

图5为不同钎焊降温速率下钎焊残余应力沿路径1分布的对比结果.结果表明,在整个钎焊过程中隔板-钎料之间焊缝处的钎焊残余应力以隔板-钎料之间焊缝的中点为对称中心呈对称分布.钎焊残余应力在焊缝内部两侧靠近钎焊接头处取得最大值,在隔板-钎料之间焊缝中间位置处取得最小值；在隔板-钎料之间焊缝两侧的钎焊接头处,残余应力梯度较大；随着钎焊降温速率的减小板翅结构隔板-钎料之间焊缝处的残余应力随之减小,不同钎焊降温速率下钎焊残余应力之间的差值也随着钎焊降温速率的减小而减小；由此可得,当钎焊降温速率小于某一值时,隔板-钎料之间焊缝处钎焊残余应力的大小将近似为定值.因此,钎焊降温速率越小,由于钎焊残余应力的存在而导致板翅结构隔板-钎料之间焊缝处发生断裂的风险性就越小.

图5 不同钎焊降温速率下路径1残余应力分布图Fig.5 Residual stress distribution of Path 1 under different brazing cooling rates

图6为不同钎焊降温速率下,钎焊残余应力沿路径2分布的对比结果.结果表明,在整个钎焊过程中板翅结构翅片-钎料之间焊缝处的钎焊残余应力以翅片-钎料之间焊缝的中点为对称中心呈对称分布.钎焊残余应力在翅片-钎料之间焊缝处两侧钎焊接头处取得最大值,在焊缝内部中心处取得最小值；在焊缝内部两侧靠近钎焊接头处钎焊残余应力发生突变且应力梯度较大.同样,随着钎焊降温速率的减小板翅结构翅片-钎料之间焊缝处的钎焊残余应力随之减小；由此可得,当钎焊降温速率小于某一值时,翅片-钎料之间焊缝处钎焊残余应力的大小将近似为定值.因此,钎焊降温速率越小,板翅结构内部的钎焊残余应力就越小,从而由于钎焊残余应力的存在而导致板翅结构翅片-钎料之间焊缝处发生断裂的风险性就越小.

图6 不同钎焊降温速率下路径2残余应力分布Fig.6 Residual stress distribution of Path 2 under different brazing cooling rates

通过对比图5和图6可以看出,在板翅结构翅片-钎料之间焊缝处的钎焊残余应力大于隔板-钎料之间焊缝处的钎焊残余应力.因此,由于钎焊残余应力的存在板翅结构翅片-钎料之间焊缝处更易发生强度失效,进而导致断裂.

图7为不同钎焊降温速率下,钎焊残余应力在路径3位置2处应力分布的对比结果.结果表明,在整个钎焊过程中钎焊残余应力在翅片内部和隔板内部近似线性分布,在钎料层内部呈非线性分布；钎焊残余应力在翅片-钎料之间焊缝处和隔板-钎料焊缝处发生突变且在隔板-钎料之间焊缝处的应力梯度较大；钎焊残余应力在翅片-钎料之间焊缝处取得最大值,在隔板-钎料之间焊缝处取得最小值.因此,由于钎焊残余应力的存在,翅片-钎料之间焊缝处更容易发生断裂,这与上述结论一致.同样,板翅结构沿路径3钎焊接头(位置2)处的钎焊残余应力随着钎焊降温速率的减小而减小,且不同钎焊降温速率下钎焊残余应力之间的差值也随着钎焊降温速率的减小而减小；由此可得,当钎焊降温速率小于某一值时,沿路径3钎焊接头(位置2)处钎焊残余应力的大小将近似为定值.因此,由于钎焊残余应力的存在而导致板翅结构沿路径3钎焊接头(位置2)处发生断裂的风险性随着钎焊降温速率的减小而越小.

图7 不同钎焊降温速率下路径3位置2处残余应力分布

图8为不同钎焊降温速率下,钎焊残余应力在路径3位置3处应力分布的对比结果.结果表明,钎焊残余应力在路径3位置3处以焊缝中心为对称轴呈对称分布,在整个钎焊过程中残余应力在焊缝内部近似定值,在隔板内部和翅片内部近似线性分布且在隔板内部沿路径3递减,在翅片内部沿路径3递增；钎焊残余应力在焊缝内部取得最大值,在隔板-钎料之间焊缝处和翅片-钎料之间焊缝处取得最小值且在该位置处发生突变,应力梯度较大；板翅结构沿路径3焊缝(位置3)处的钎焊残余应力同样随着钎焊降温速率的减小而减小,且不同钎焊降温速率下钎焊残余应力之间的差值也随着钎焊降温速率的减小而减小；由此可得,当钎焊降温速率小于某一值时,沿路径3焊缝(位置3)处钎焊残余应力的大小将近似为定值.因此,由于钎焊残余应力的存在而导致板翅结构沿路径3焊缝(位置3)处发生断裂的风险性随着钎焊降温速率的减小而越小.

图8 不同钎焊降温速率下路径3位置3处残余应力分布Fig.8 Residual stress distribution of local position in region 3 of path 3 under different brazing cooling rates

综上所述,板翅结构内部钎焊残余应力随着钎焊降温速率的减小而减小；不同钎焊降温速率下钎焊残余应力之间的差值也随着钎焊降温速率的减小而减小,当钎焊降温速率小于某一值时,板翅结构内部钎焊残余应力的大小将近似为定值；钎焊降温速率越小,由于钎焊残余应力的存在而导致板翅结构钎焊接头处发生断裂的风险性就越小.

2.2 铝制板翅结构的热应变

图9为不同钎焊降温速率下板翅结构等效热应变的对比结果.结果表明,由于受到结构自身约束、受热膨胀和夹具所给压力的共同作用,板翅结构整体产生了两种变形：其中一种变形是翅片沿竖直方向的波浪形扭曲变形,这主要是由于板翅结构受到夹具所给压力的作用,从而导致板翅结构在竖直方向无法自由伸缩造成的；另一种变形则是隔板沿水平方向的凸胀变形,这主要是由于隔板相对于翅片而言受到更高的结构自身约束,并且隔板组成材料的受热膨胀在此时作用更加明显造成的.不同钎焊降温速率下板翅结构在水平和竖直方向的热变形均无显著变化.因此,钎焊降温速率对板翅结构的等效热应变影响不大.

图9 不同降温速率下板翅结构的热应变(显示因子：1 000)Fig.9 Thermal strain of plate-fin structure under different cooling rates(display factor：1 000)

3 结论

本文建立了板翅结构的热应力分析模型.采用热-结构耦合的方法分析了钎焊降温速率对板翅结构的钎焊残余应力和等效弹性热应变的影响.得出如下结论：

1) 随着钎焊降温速率的减小,板翅结构内部钎焊残余应力的大小也随之减小；不同钎焊降温速率下钎焊残余应力之间的差值也不同,当钎焊降温速率小于某一值时,板翅结构内部钎焊残余应力的大小将近似为定值.2) 钎焊降温速率越小,由于钎焊残余应力的存在而导致板翅结构内部薄弱部位发生断裂的风险性就越小.3)在钎焊过程中,板翅结构的隔板在水平方向发生凸胀变形,翅片在竖直方向发生波浪形扭曲变形.但总体来看,钎焊降温速率对板翅结构的等效热应变影响不大.4) 在不考虑时间成本的前提下,板翅结构的生产厂商可以适当延长钎焊充氮骤冷阶段的时间,采用较小的降温速率,以减小板翅结构内部由于钎焊残余应力存在而导致的应力集中,从而有助于延长板翅结构的使用寿命.