釬焊降溫速率對板翅結(jié)構(gòu)釬焊殘余應(yīng)力和等效熱變形的影響規(guī)律

代忠華, 劉新文, 麻宏強, 王 麗, 張春娥

(1. 甘肅第四建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司, 甘肅 蘭州 730050; 2. 甘肅建投科技研發(fā)有限公司, 甘肅 蘭州 730050; 3. 蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050)

板翅式換熱器是一種典型的緊湊型換熱器[1],其作為石油化工系統(tǒng)設(shè)備的重要組成部分[2-3],具有結(jié)構(gòu)簡潔、介質(zhì)之間換熱效率較高且可以多種換熱介質(zhì)同時進(jìn)行熱量交換等特點[4-5].板翅結(jié)構(gòu)作為板翅式換熱器的核心部件[6-7],在釬焊過程中,板翅結(jié)構(gòu)內(nèi)部會伴隨著釬焊殘余應(yīng)力的產(chǎn)生,板翅式換熱器在實際運行過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力會與這種釬焊殘余應(yīng)力產(chǎn)生疊加效應(yīng),這將對板翅式換熱器結(jié)構(gòu)的安全性造成嚴(yán)重影響[8-9].此外,釬焊降溫速率的變化會引起板翅結(jié)構(gòu)內(nèi)部的釬焊殘余應(yīng)力的增大或減少.因此,掌握釬焊降溫速率對釬焊殘余應(yīng)力的影響規(guī)律,對于降低板翅式換熱器內(nèi)部的應(yīng)力水平,保證板翅式換熱器的安全運行和延長板翅式換熱器的使用壽命具有重要的現(xiàn)實指導(dǎo)意義.

目前,對于釬焊殘余應(yīng)力的研究主要集中在如下幾個方面,蔣文春等[10]通過運用三維有限元的分析方法,對釬焊制造過程中不銹鋼板翅結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力的過程進(jìn)行了研究.結(jié)果表明,殘余應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在板翅結(jié)構(gòu)的釬焊接頭處.因此,釬焊接頭處為整個板翅結(jié)構(gòu)最薄弱的位置；陳虎等[11]對不銹鋼板翅結(jié)構(gòu)在真空釬焊過程中產(chǎn)生的釬焊殘余應(yīng)力的分布情況進(jìn)行了有限元分析,在翅片和隔板之間的釬焊接頭處殘余應(yīng)力分布較為復(fù)雜,且釬焊殘余應(yīng)力的最大值同樣出現(xiàn)在釬焊接頭處；周幗彥等[12]采用有限元的方法,從固化冷卻速率和加壓組裝兩個方面對板翅結(jié)構(gòu)的釬焊殘余應(yīng)力進(jìn)行了分析.結(jié)果表明,釬焊接頭釬角處的釬焊殘余應(yīng)力隨著急速冷卻速率的增加而增大,隨著加壓組裝中外加載荷的增加殘余應(yīng)力全部轉(zhuǎn)化為壓縮狀態(tài)；蔣文春等[13]對真空釬焊過程中板翅結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進(jìn)行了有限元分析,研究了不同因素的差異對殘余應(yīng)力的影響,從而確定了影響釬焊殘余應(yīng)力的主要影響因素等.這些工作主要集中在對不銹鋼板翅結(jié)構(gòu)釬焊過程中釬焊殘余應(yīng)力的研究,而對于釬焊降溫速率對鋁制板翅結(jié)構(gòu)的釬焊殘余應(yīng)力的影響并未涉及.

本文采用熱-結(jié)構(gòu)耦合的有限元方法,基于熱-彈性理論,建立了鋁制板翅結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力分析模型,模擬分析了不同釬焊降溫速率下板翅結(jié)構(gòu)內(nèi)部的釬焊殘余應(yīng)力的變化情況,得出了鋁制板翅結(jié)構(gòu)內(nèi)部的釬焊殘余應(yīng)力隨釬焊降溫速率變化的一般規(guī)律.

1 有限元模型分析

1.1 物理模型簡化

圖1為換熱器板翅結(jié)構(gòu)的示意圖,從圖中可以看出鋁制板翅結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜性、周期性和對稱性的特點.此外,由于其在長度z方向上的溫度梯度變化很小,因此,在綜合考慮各種因素和確保模擬結(jié)果合理準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上,忽略層數(shù)對板翅結(jié)構(gòu)強度的影響.在x方向上取一個周期,在y方向取四層板翅結(jié)構(gòu)(圖1中虛線部分),在z方向上僅取很小的一段(長度L)作為研究對象進(jìn)行分析,其簡化模型如圖2所示,模型結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1.

圖1 換熱器板翅結(jié)構(gòu)的示意圖

圖2 板翅結(jié)構(gòu)簡化模型

表1 板翅結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 材料屬性

鋁合金3003和4004在鋁制板翅式換熱器的加工制造中被廣泛應(yīng)用,本文選取翅片和隔板材料為鋁合金3003,釬焊材料為鋁合金4004.由于鋁合金3003和鋁合金4004材料的熱膨脹系數(shù)、楊氏模量和屈服強度相對于密度、熱導(dǎo)率和比熱容受換熱器溫度變化的影響較大,因此本模擬中只考慮溫度變化對彈性模量、膨脹系數(shù)和屈服強度的影響.鋁合金3003和鋁合金4004的材料性能參數(shù)見表2.

表2 材料性能參數(shù)

1.3 邊界條件

板翅結(jié)構(gòu)釬焊殘余應(yīng)力的模擬分析,在板翅結(jié)構(gòu)底面和頂面施加y方向固定約束邊界,用來模擬夾具對板翅結(jié)構(gòu)的夾持作用；同時,在前壁面施加z方向固定約束邊界,在后壁面施加耦合邊界條件；在板翅結(jié)構(gòu)內(nèi)部由翅片和隔板組成的腔體內(nèi)施加腔體輻射換熱邊界,模擬板翅結(jié)構(gòu)在釬焊過程中板翅結(jié)構(gòu)內(nèi)部的輻射換熱；在板翅結(jié)構(gòu)左右兩端壁面施加對稱邊界,模擬板翅結(jié)構(gòu)的周期性和對稱性,詳細(xì)的邊界條件如圖3所示.

圖3 釬焊過程中板翅結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力模擬邊界條件Fig.3 Boundary conditions for residual stress simulation of plate-fin structure during brazing process

圖4是不同釬焊降溫速率下真空釬焊爐爐溫控制曲線,從圖中可以看出整個釬焊過程的溫度變化經(jīng)歷了十個步驟：

圖4 不同釬焊降溫速率下爐溫控制曲線Fig.4 Furnace temperature control curve under different brazing cooling rate

1) 經(jīng)過30 min的加熱使釬焊溫度從298 K室溫升高到633 K；2) 在633 K的溫度下保溫50 min；3) 經(jīng)過25 min的加熱使釬焊溫度從633 K繼續(xù)升高到743 K；4) 在743 K的溫度下繼續(xù)保溫8 min；5) 經(jīng)過15 min的加熱使釬焊溫度從743 K進(jìn)一步升高到843 K；6) 在843K的溫度下進(jìn)一步保溫9 min；7) 經(jīng)過8 min的加熱使釬焊溫度從843 K再次升高到863 K；8) 在863 K的環(huán)境條件下,經(jīng)過4 min的釬焊擴(kuò)散后形成釬焊接頭；9) 對釬焊爐進(jìn)行充氮驟冷,使?fàn)t內(nèi)溫度從863 K降至373 K；10) 經(jīng)過60 min的出爐自然冷卻,使板翅結(jié)構(gòu)的溫度最終恢復(fù)到298 K室溫.

2 結(jié)果與討論

2.1 板翅結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力

隔板-釬料之間和翅片-釬料之間的焊縫處以及釬焊接頭處,均屬于板翅結(jié)構(gòu)的薄弱部位,最容易萌生裂紋,發(fā)生斷裂,而釬焊殘余應(yīng)力的存在,將會增加板翅結(jié)構(gòu)薄弱部位萌生裂紋,發(fā)生斷裂的風(fēng)險性.在釬焊過程中,由于板翅結(jié)構(gòu)在真空釬焊爐中充氮驟冷階段的冷卻速率不同,將導(dǎo)致板翅結(jié)構(gòu)內(nèi)部釬焊殘余應(yīng)力的大小不同.因此,本文選取了3條典型路徑(如圖2所示),分析了板翅結(jié)構(gòu)典型位置處的釬焊殘余應(yīng)力分布情況.其中,路徑1位于隔板-釬料之間的焊縫處；路徑2位于翅片-釬料之間的焊縫處；路徑3沿著翅片高度方向,經(jīng)過釬焊接頭位置2處和釬料層位置3處(如圖2所示).通過模擬板翅結(jié)構(gòu)在真空釬焊爐中充氮驟冷階段分別經(jīng)歷20、10、5、2.5 K/min 4種不同的釬焊降溫速率來研究釬焊降溫速率對板翅結(jié)構(gòu)典型位置處釬焊殘余應(yīng)力大小的影響,從而得到不同釬焊降溫速率引起板翅結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂風(fēng)險的一般規(guī)律.

圖5為不同釬焊降溫速率下釬焊殘余應(yīng)力沿路徑1分布的對比結(jié)果.結(jié)果表明,在整個釬焊過程中隔板-釬料之間焊縫處的釬焊殘余應(yīng)力以隔板-釬料之間焊縫的中點為對稱中心呈對稱分布.釬焊殘余應(yīng)力在焊縫內(nèi)部兩側(cè)靠近釬焊接頭處取得最大值,在隔板-釬料之間焊縫中間位置處取得最小值；在隔板-釬料之間焊縫兩側(cè)的釬焊接頭處,殘余應(yīng)力梯度較大；隨著釬焊降溫速率的減小板翅結(jié)構(gòu)隔板-釬料之間焊縫處的殘余應(yīng)力隨之減小,不同釬焊降溫速率下釬焊殘余應(yīng)力之間的差值也隨著釬焊降溫速率的減小而減?。挥纱丝傻?當(dāng)釬焊降溫速率小于某一值時,隔板-釬料之間焊縫處釬焊殘余應(yīng)力的大小將近似為定值.因此,釬焊降溫速率越小,由于釬焊殘余應(yīng)力的存在而導(dǎo)致板翅結(jié)構(gòu)隔板-釬料之間焊縫處發(fā)生斷裂的風(fēng)險性就越小.

圖5 不同釬焊降溫速率下路徑1殘余應(yīng)力分布圖Fig.5 Residual stress distribution of Path 1 under different brazing cooling rates

圖6為不同釬焊降溫速率下,釬焊殘余應(yīng)力沿路徑2分布的對比結(jié)果.結(jié)果表明,在整個釬焊過程中板翅結(jié)構(gòu)翅片-釬料之間焊縫處的釬焊殘余應(yīng)力以翅片-釬料之間焊縫的中點為對稱中心呈對稱分布.釬焊殘余應(yīng)力在翅片-釬料之間焊縫處兩側(cè)釬焊接頭處取得最大值,在焊縫內(nèi)部中心處取得最小值；在焊縫內(nèi)部兩側(cè)靠近釬焊接頭處釬焊殘余應(yīng)力發(fā)生突變且應(yīng)力梯度較大.同樣,隨著釬焊降溫速率的減小板翅結(jié)構(gòu)翅片-釬料之間焊縫處的釬焊殘余應(yīng)力隨之減?。挥纱丝傻?當(dāng)釬焊降溫速率小于某一值時,翅片-釬料之間焊縫處釬焊殘余應(yīng)力的大小將近似為定值.因此,釬焊降溫速率越小,板翅結(jié)構(gòu)內(nèi)部的釬焊殘余應(yīng)力就越小,從而由于釬焊殘余應(yīng)力的存在而導(dǎo)致板翅結(jié)構(gòu)翅片-釬料之間焊縫處發(fā)生斷裂的風(fēng)險性就越小.

圖6 不同釬焊降溫速率下路徑2殘余應(yīng)力分布Fig.6 Residual stress distribution of Path 2 under different brazing cooling rates

通過對比圖5和圖6可以看出,在板翅結(jié)構(gòu)翅片-釬料之間焊縫處的釬焊殘余應(yīng)力大于隔板-釬料之間焊縫處的釬焊殘余應(yīng)力.因此,由于釬焊殘余應(yīng)力的存在板翅結(jié)構(gòu)翅片-釬料之間焊縫處更易發(fā)生強度失效,進(jìn)而導(dǎo)致斷裂.

圖7為不同釬焊降溫速率下,釬焊殘余應(yīng)力在路徑3位置2處應(yīng)力分布的對比結(jié)果.結(jié)果表明,在整個釬焊過程中釬焊殘余應(yīng)力在翅片內(nèi)部和隔板內(nèi)部近似線性分布,在釬料層內(nèi)部呈非線性分布；釬焊殘余應(yīng)力在翅片-釬料之間焊縫處和隔板-釬料焊縫處發(fā)生突變且在隔板-釬料之間焊縫處的應(yīng)力梯度較大；釬焊殘余應(yīng)力在翅片-釬料之間焊縫處取得最大值,在隔板-釬料之間焊縫處取得最小值.因此,由于釬焊殘余應(yīng)力的存在,翅片-釬料之間焊縫處更容易發(fā)生斷裂,這與上述結(jié)論一致.同樣,板翅結(jié)構(gòu)沿路徑3釬焊接頭(位置2)處的釬焊殘余應(yīng)力隨著釬焊降溫速率的減小而減小,且不同釬焊降溫速率下釬焊殘余應(yīng)力之間的差值也隨著釬焊降溫速率的減小而減??；由此可得,當(dāng)釬焊降溫速率小于某一值時,沿路徑3釬焊接頭(位置2)處釬焊殘余應(yīng)力的大小將近似為定值.因此,由于釬焊殘余應(yīng)力的存在而導(dǎo)致板翅結(jié)構(gòu)沿路徑3釬焊接頭(位置2)處發(fā)生斷裂的風(fēng)險性隨著釬焊降溫速率的減小而越小.

圖7 不同釬焊降溫速率下路徑3位置2處殘余應(yīng)力分布

圖8為不同釬焊降溫速率下,釬焊殘余應(yīng)力在路徑3位置3處應(yīng)力分布的對比結(jié)果.結(jié)果表明,釬焊殘余應(yīng)力在路徑3位置3處以焊縫中心為對稱軸呈對稱分布,在整個釬焊過程中殘余應(yīng)力在焊縫內(nèi)部近似定值,在隔板內(nèi)部和翅片內(nèi)部近似線性分布且在隔板內(nèi)部沿路徑3遞減,在翅片內(nèi)部沿路徑3遞增；釬焊殘余應(yīng)力在焊縫內(nèi)部取得最大值,在隔板-釬料之間焊縫處和翅片-釬料之間焊縫處取得最小值且在該位置處發(fā)生突變,應(yīng)力梯度較大；板翅結(jié)構(gòu)沿路徑3焊縫(位置3)處的釬焊殘余應(yīng)力同樣隨著釬焊降溫速率的減小而減小,且不同釬焊降溫速率下釬焊殘余應(yīng)力之間的差值也隨著釬焊降溫速率的減小而減??；由此可得,當(dāng)釬焊降溫速率小于某一值時,沿路徑3焊縫(位置3)處釬焊殘余應(yīng)力的大小將近似為定值.因此,由于釬焊殘余應(yīng)力的存在而導(dǎo)致板翅結(jié)構(gòu)沿路徑3焊縫(位置3)處發(fā)生斷裂的風(fēng)險性隨著釬焊降溫速率的減小而越小.

圖8 不同釬焊降溫速率下路徑3位置3處殘余應(yīng)力分布Fig.8 Residual stress distribution of local position in region 3 of path 3 under different brazing cooling rates

綜上所述,板翅結(jié)構(gòu)內(nèi)部釬焊殘余應(yīng)力隨著釬焊降溫速率的減小而減??；不同釬焊降溫速率下釬焊殘余應(yīng)力之間的差值也隨著釬焊降溫速率的減小而減小,當(dāng)釬焊降溫速率小于某一值時,板翅結(jié)構(gòu)內(nèi)部釬焊殘余應(yīng)力的大小將近似為定值；釬焊降溫速率越小,由于釬焊殘余應(yīng)力的存在而導(dǎo)致板翅結(jié)構(gòu)釬焊接頭處發(fā)生斷裂的風(fēng)險性就越小.

2.2 鋁制板翅結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)變

圖9為不同釬焊降溫速率下板翅結(jié)構(gòu)等效熱應(yīng)變的對比結(jié)果.結(jié)果表明,由于受到結(jié)構(gòu)自身約束、受熱膨脹和夾具所給壓力的共同作用,板翅結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生了兩種變形：其中一種變形是翅片沿豎直方向的波浪形扭曲變形,這主要是由于板翅結(jié)構(gòu)受到夾具所給壓力的作用,從而導(dǎo)致板翅結(jié)構(gòu)在豎直方向無法自由伸縮造成的；另一種變形則是隔板沿水平方向的凸脹變形,這主要是由于隔板相對于翅片而言受到更高的結(jié)構(gòu)自身約束,并且隔板組成材料的受熱膨脹在此時作用更加明顯造成的.不同釬焊降溫速率下板翅結(jié)構(gòu)在水平和豎直方向的熱變形均無顯著變化.因此,釬焊降溫速率對板翅結(jié)構(gòu)的等效熱應(yīng)變影響不大.

圖9 不同降溫速率下板翅結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)變(顯示因子：1 000)Fig.9 Thermal strain of plate-fin structure under different cooling rates(display factor：1 000)

3 結(jié)論

本文建立了板翅結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力分析模型.采用熱-結(jié)構(gòu)耦合的方法分析了釬焊降溫速率對板翅結(jié)構(gòu)的釬焊殘余應(yīng)力和等效彈性熱應(yīng)變的影響.得出如下結(jié)論：

1) 隨著釬焊降溫速率的減小,板翅結(jié)構(gòu)內(nèi)部釬焊殘余應(yīng)力的大小也隨之減小；不同釬焊降溫速率下釬焊殘余應(yīng)力之間的差值也不同,當(dāng)釬焊降溫速率小于某一值時,板翅結(jié)構(gòu)內(nèi)部釬焊殘余應(yīng)力的大小將近似為定值.2) 釬焊降溫速率越小,由于釬焊殘余應(yīng)力的存在而導(dǎo)致板翅結(jié)構(gòu)內(nèi)部薄弱部位發(fā)生斷裂的風(fēng)險性就越小.3)在釬焊過程中,板翅結(jié)構(gòu)的隔板在水平方向發(fā)生凸脹變形,翅片在豎直方向發(fā)生波浪形扭曲變形.但總體來看,釬焊降溫速率對板翅結(jié)構(gòu)的等效熱應(yīng)變影響不大.4) 在不考慮時間成本的前提下,板翅結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)廠商可以適當(dāng)延長釬焊充氮驟冷階段的時間,采用較小的降溫速率,以減小板翅結(jié)構(gòu)內(nèi)部由于釬焊殘余應(yīng)力存在而導(dǎo)致的應(yīng)力集中,從而有助于延長板翅結(jié)構(gòu)的使用壽命.