調(diào)溫器不銹鋼尾柄焊接開裂分析

朱文彪

摘要：本文首先闡述了調(diào)溫器的相關(guān)簡介，并詳細(xì)分析了其開裂原因與預(yù)防策略。

關(guān)鍵詞：調(diào)溫器;開裂原因;預(yù)防策略

發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)溫器是控制冷卻液流動(dòng)路徑的閥門，它通常被稱為節(jié)溫器。其內(nèi)部通常含有感溫組件，利用感溫組件感應(yīng)冷卻液溫度引起的熱脹冷縮效應(yīng)，以控制止回閥的開閉，調(diào)節(jié)冷卻液在發(fā)動(dòng)機(jī)中的小循環(huán)與大循環(huán)，使冷卻液溫度在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。

一、調(diào)溫器簡介

調(diào)溫器也稱之為節(jié)溫器，是控制冷卻液流動(dòng)路徑的閥門。作為一種自動(dòng)調(diào)溫裝置，它通常包含感溫元件，通過膨脹或冷縮來打開和關(guān)閉空氣、氣體或液體的流動(dòng)。其功能是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)入散熱器的水量，以改變水的循環(huán)范圍，從而調(diào)節(jié)冷卻系的散熱能力，進(jìn)而保證發(fā)動(dòng)機(jī)在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)工作。另外，在發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作后，由于水溫不是很高，此時(shí)節(jié)溫器處于關(guān)閉狀態(tài)，冷卻液只在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)，不流向散熱器，這通常被稱為小循環(huán)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)工作，水溫持續(xù)升高時(shí)，節(jié)溫器開始打開，冷卻液流向散熱器，此時(shí)小循環(huán)逐漸閉合，開始進(jìn)行大循環(huán)。

一般來說，水冷系統(tǒng)的冷卻液從機(jī)體流入，從氣缸蓋流出。大多數(shù)節(jié)溫器安裝在氣缸蓋的出水管路中。這種布置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，易于去除水冷系統(tǒng)中的氣泡;缺點(diǎn)是節(jié)溫器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。例如，在冬季起動(dòng)冷態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，因冷卻液溫度低，節(jié)溫器閥關(guān)閉。當(dāng)冷卻液處于小循環(huán)時(shí)，溫度迅速上升，節(jié)溫器閥開啟。同時(shí)，散熱器中的低溫冷卻液流入機(jī)體，使冷卻液再次冷卻，節(jié)溫器閥重新關(guān)閉。當(dāng)冷卻液溫度再次升高時(shí)，節(jié)溫器閥又再次打開。在所有冷卻液的溫度穩(wěn)定后，節(jié)溫器閥才趨于穩(wěn)定，并且不會(huì)反復(fù)開閉。節(jié)溫器閥在短時(shí)間內(nèi)反復(fù)啟閉的現(xiàn)象稱為節(jié)溫器振蕩。當(dāng)這種現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，會(huì)增加汽車的燃油消耗量。此外，節(jié)溫器還可布置在散熱器的出水管內(nèi)。這種布置方式能減少或消除節(jié)溫器振蕩現(xiàn)象，并能精確控制冷卻液的溫度，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，主要用于高性能汽車和冬季經(jīng)常高速行駛的汽車上。

二、開裂原因與預(yù)防策略

1、冷變形強(qiáng)化。奧氏體不銹鋼是一種不能通過熱處理來使其強(qiáng)化，但可通過冷加工使其強(qiáng)化的不銹鋼。

金屬在低溫塑性變形時(shí)，隨著變形量的增加，金屬的硬度與強(qiáng)度增加，塑性與韌性降低。這種現(xiàn)象被稱為金屬的“冷變形強(qiáng)化”，也稱為“冷加工強(qiáng)化”、“冷作硬化”或“應(yīng)變強(qiáng)化”。

與其它金屬一樣，奧氏體不銹鋼在冷成形過程中，材料發(fā)生了塑性變形，材料的晶體由于塑性變形而產(chǎn)生滑移及孿生，致使晶格的位錯(cuò)缺陷相應(yīng)增加。隨著變形量的增加，位錯(cuò)密度增大，位錯(cuò)間的相互作用增強(qiáng)，從而提高了材料的硬度與強(qiáng)度，以及降低了材料的塑性與韌性，即奧氏體不銹鋼尾柄存在“冷變形強(qiáng)化”現(xiàn)象。當(dāng)冷變形強(qiáng)化發(fā)展到一定程度時(shí)，如果塑性變形繼續(xù)發(fā)生或在較大應(yīng)力作用下，可能導(dǎo)致其開裂缺陷的產(chǎn)生。

2、馬氏體相變。馬氏體相變是指替換原子無擴(kuò)散切變（原子沿相界面作協(xié)作運(yùn)動(dòng)），使其形狀發(fā)生改變的一級(jí)、形核-長大型相變。

根據(jù)馬氏體相變理論，當(dāng) 溫度（馬氏體開始形成的溫度，也稱為“馬氏體點(diǎn)”）以上，在 溫度（塑性變形促進(jìn)馬氏體相變的最高溫度，也被稱為“形變誘發(fā)馬氏體相變的臨界溫度”）以下，即在 ～ 溫度之間，塑性變形能促進(jìn)奧氏體不銹鋼發(fā)生馬氏體相變（塑性變形為馬氏體相變提供了機(jī)械驅(qū)動(dòng)力），部分面心立方奧氏體組織（ 相）轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變誘發(fā)馬氏體組織;應(yīng)變誘發(fā)馬氏體（以下簡稱馬氏體）包括條狀、體心立方結(jié)構(gòu)且具有鐵磁性的 相馬氏體和片狀、密排六方結(jié)構(gòu)且無鐵磁性的 相馬氏體。其中 相馬氏體是在 ～ 過程中因形狀變化較大而產(chǎn)生的中間產(chǎn)物。

室溫（25℃左右）正介于奧氏體不銹鋼的 ～ 溫度之間;在室溫下塑性變形過程中，奧氏體不銹鋼中部分奧氏體組織易于轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，且隨著變形量的增加，馬氏體轉(zhuǎn)變量也隨之增加。

此外，與奧氏體組織相比，馬氏體組織具有較硬與較脆的特性。因不同特性的奧氏體與馬氏體組織共存，奧氏體不銹鋼尾柄冷成形后容易形成顯微裂紋，在塑性變形持續(xù)發(fā)生或較大應(yīng)力作用下，這些顯微裂紋容易產(chǎn)生開裂缺陷。

隨著馬氏體含量的增加，奧氏體不銹鋼材的強(qiáng)度與硬度也隨之增加，而塑性與韌性隨之降低。這種相變強(qiáng)化與冷變形強(qiáng)化效果相同，并且馬氏體的形核與長大與冷變形強(qiáng)化的原因（滑移位錯(cuò)和孿生位錯(cuò)）直接相關(guān)。因此，從晶體學(xué)的角度看，奧氏體不銹鋼的冷變形強(qiáng)化與相變強(qiáng)化密切相關(guān)，可視為“兩位一體”。甚至有人進(jìn)一步認(rèn)為，組織變化即（部分奧氏體組織轉(zhuǎn)變成馬氏體組織）是奧氏體不銹鋼冷變形強(qiáng)化的實(shí)質(zhì)。

3、腐蝕性環(huán)境的影響。馬氏體的腐蝕電位低于奧氏體腐蝕電位;當(dāng)在腐蝕環(huán)境中馬氏體和奧氏體兩相共存時(shí)，作為陽極的馬氏體和作為陰極的奧氏體，它們構(gòu)成腐蝕微電偶對(duì)，形成電偶腐蝕（陽極優(yōu)先溶解）;同時(shí)，電偶腐蝕容易引起點(diǎn)蝕及應(yīng)力腐蝕。因此，奧氏體不銹鋼的組織變化增加了電偶腐蝕、點(diǎn)蝕及應(yīng)力腐蝕的敏感性。

4、原因分析。奧氏體不銹鋼冷成形開裂的主要原因是：1）在冷成形過程中，奧氏體不銹鋼（特別是亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼）易發(fā)生組織變化，致使材料強(qiáng)度、硬度及脆性增加，而塑性、韌性及耐蝕性下降。當(dāng)組織變化發(fā)展到一定程度且在塑性變形繼續(xù)發(fā)生時(shí)或在較大應(yīng)力作用下，可能導(dǎo)致開裂;2）在腐蝕環(huán)境中，由于組織變化而形成的馬氏體容易產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，從而加劇了開裂程度。

5、預(yù)防策略。鑒于以上原因，為避免奧氏體不銹鋼尾柄開裂，可采取以下預(yù)防措施。

1）在設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼在冷成形過程中易發(fā)生組織變化的特點(diǎn)，盡量選擇穩(wěn)定性更好的穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼。

2）尾柄制造企業(yè)應(yīng)提高各自冷成形加工工藝，盡力減少各自加工工藝中馬氏體轉(zhuǎn)變量（例如，在條件允許的情況下，可采用溫成形工藝，將尾柄加工的塑性變形溫度控制在遠(yuǎn)大于室溫且略低于最低敏化溫度的范圍內(nèi)）。

3）冷成形溫度可高于室溫且低于150℃，以提高成形溫度可顯著減少奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相的數(shù)量（通?？山档蛿?shù)倍），并使變形引起的塑性變形減到最小。

4）為有效防止開裂，奧氏體不銹鋼冷成形后，應(yīng)在直邊段、過渡區(qū)、拼接焊縫及焊縫熱影響區(qū)等部位測(cè)量組織變化情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)組織變化較大時(shí)（如鐵素體儀測(cè)量值大于23%體積分?jǐn)?shù)或硬度計(jì)測(cè)量值大于300HB），應(yīng)進(jìn)行熱處理以恢復(fù)材料性能。

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（作者單位：曲阜天博汽車零部件制造有限公司）