不銹鋼油冷器開(kāi)裂分析

梅長(zhǎng)興，何 鵬，陸青松，劉 浩，羅愛(ài)嬌，劉衛(wèi)嬌

(1.浙江銀輪機(jī)械股份有限公司，浙江 臺(tái)州，317200；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

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不銹鋼油冷器開(kāi)裂分析

梅長(zhǎng)興1，何 鵬2，陸青松1，劉 浩1，羅愛(ài)嬌1，劉衛(wèi)嬌1

(1.浙江銀輪機(jī)械股份有限公司，浙江 臺(tái)州，317200；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

制造完成后的不銹鋼油冷器在進(jìn)行100%密封性試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，大部分油冷器出現(xiàn)泄漏失效。采用外觀和截面金相觀察方法分析了油冷器失效件裂紋的數(shù)量、分布、形態(tài)、裂紋表面成分變化等特征，采用仿真分析方法分析了TIG焊接對(duì)油冷器蓋板和殼體的溫度場(chǎng)與殘余應(yīng)力的影響，通過(guò)綜合分析提出了裂紋產(chǎn)生的根本原因，采用截面金相觀察方法驗(yàn)證了改進(jìn)措施的效果。研究表明：不銹鋼油冷器在TIG焊接過(guò)程中由于高溫使Cu釬縫擴(kuò)散而在蓋板、芯片中產(chǎn)生了晶界開(kāi)裂，油冷卻器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)是不銹鋼油冷器出現(xiàn)泄漏的根本原因。針對(duì)根本原因，提出了增加蓋板和殼體板厚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)措施。

熱影響區(qū)開(kāi)裂；釬縫重熔；晶間滲入；金相分析；仿真分析

0 引言

不銹鋼油冷器的工作原理是利用循環(huán)的冷卻液對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油進(jìn)行冷卻，保證發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油在最合適的溫度區(qū)間工作。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，不銹鋼油冷器有裝配式、釬焊式和釬焊-熔焊組合式3種[1-4]。釬焊-熔焊組合方式是指不銹鋼油冷器的芯子采用釬焊結(jié)構(gòu)，殼體采用熔焊的方法與芯子進(jìn)行連接。釬焊-熔焊組合方式應(yīng)用靈活，對(duì)零件精度和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)限制少，在中大型不銹鋼油冷器中得到廣泛應(yīng)用。

純Cu釬料具有釬縫強(qiáng)度高，零件配合間隙要求低和成本低的優(yōu)點(diǎn)，目前絕大多數(shù)不銹鋼油冷器都采用純Cu釬料進(jìn)行釬焊連接[5-6]。由于純Cu在真空狀態(tài)下蒸汽壓較低，釬焊后在非釬焊區(qū)域的不銹鋼表面上出現(xiàn)大量殘余Cu釬料。此外，采用純Cu釬料釬焊時(shí)存在一定的擴(kuò)散現(xiàn)象[7]，可以提高兩側(cè)母材的界面結(jié)合力。

不銹鋼由于其具有較好的耐腐蝕性，在熱交換器行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。不銹鋼線膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱性差，因此焊接工藝性較差。當(dāng)結(jié)構(gòu)拘束度或焊接熱輸入較大時(shí)，焊接時(shí)容易在焊縫和熱影響區(qū)出現(xiàn)裂紋，并且焊接后產(chǎn)品中存在較大的殘余應(yīng)力和變形[8-9]。Shankar等[10]研究了奧氏體不銹鋼中合金元素對(duì)焊接熱裂紋的影響，部分合金元素在焊接時(shí)形成低熔點(diǎn)共晶，導(dǎo)致晶界開(kāi)裂。

國(guó)內(nèi)外已有對(duì)含Cu釬料釬焊不銹鋼出現(xiàn)釬焊裂紋的研究報(bào)道。張青科等[11-14]采用含Cu釬料對(duì)奧氏體不銹鋼或鍍鋅鋼進(jìn)行電弧及激光釬焊研究，發(fā)現(xiàn)釬焊時(shí)Cu釬料往母材晶界擴(kuò)散，導(dǎo)致晶界弱化，冷卻時(shí)在焊接拉應(yīng)力的作用下開(kāi)裂。

截止目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了大量關(guān)于不銹鋼油冷器釬焊和不銹鋼焊接開(kāi)裂的研究，但沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)因?yàn)楹附訉?dǎo)致不銹鋼油冷器開(kāi)裂失效的報(bào)道。對(duì)不銹鋼油冷器開(kāi)裂進(jìn)行失效分析，找出失效的根本原因，為提升產(chǎn)品質(zhì)量指明方向，具有十分重要的意義。

1 失效分析

1.1 背景信息

不銹鋼油冷器內(nèi)部的芯片、翅片和外部的蓋板、殼體、進(jìn)出水油口材料為鐵素體不銹鋼。油冷器的芯片、翅片、蓋板和進(jìn)出油管零件通過(guò)真空釬焊的方式連接成為一個(gè)芯子，釬料為純Cu釬料，釬焊溫度略高于純Cu的熔點(diǎn)。油冷器外部的殼體零件通過(guò)TIG焊的方式與蓋板進(jìn)行焊接，進(jìn)出水管通過(guò)TIG焊的方式與殼體進(jìn)行焊接，從而形成一個(gè)成品。焊絲牌號(hào)為ER312。不銹鋼油冷器成品如圖1所示。

圖1 不銹鋼油冷器

不銹鋼油冷器制造完成后進(jìn)行100%密封性試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大部分不銹鋼油冷器發(fā)生泄漏失效。油冷器在使用中如果發(fā)生泄漏，機(jī)油與冷卻液發(fā)生混合，甚至可能導(dǎo)致整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)廢。

1.2 外觀分析

密封性檢驗(yàn)時(shí)對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注，并采用線切割的方式在失效點(diǎn)附近進(jìn)行取樣。圖2為失效件失效點(diǎn)附近的外觀照片。圖2a為蓋板焊縫全貌，蓋板焊縫為圓周焊縫，采用TIG焊分段焊接。將失效件外表面放在光學(xué)顯微鏡下放大觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)，在焊縫收弧點(diǎn)附近的熱影響區(qū)表面存在1條長(zhǎng)度為0.2 mm的微裂紋。將失效件內(nèi)表面的對(duì)應(yīng)位置放大觀察發(fā)現(xiàn)，內(nèi)表面存在3條微裂紋，裂紋長(zhǎng)度為1.3～3.7 mm。失效件內(nèi)表面的裂紋寬度大于外表面裂紋寬度。

圖2 失效件外觀

1.3 截面金相分析

圖3為不銹鋼油冷器失效件垂直于焊縫的截面宏觀金相組織。從圖中可知，不同于表面觀察到的僅有幾條微裂紋，在失效件的一個(gè)截面上就觀察到了大量裂紋。并且裂紋分布與焊縫熔深有關(guān)，焊縫熔深越大的地方，其附近的裂紋數(shù)量越多。蓋板下表面距離焊縫最小的距離不足1 mm。

圖4為失效點(diǎn)附近截面的微觀金相組織。從圖4可知，芯片與蓋板上的裂紋沒(méi)有貫穿而形成一條裂紋，并且大部分裂紋都是在蓋板內(nèi)部產(chǎn)生的。將圖4a、4b的紅色方框位置的裂紋進(jìn)行局部放大(圖4c、圖4d)可見(jiàn)，裂紋兩側(cè)的不銹鋼裂紋表面上都存在著純Cu釬料，純Cu釬料甚至滲入到鐵素體不銹鋼內(nèi)部。純Cu釬料已經(jīng)滲入到遠(yuǎn)離釬縫的蓋板內(nèi)部。釬縫中的釬料往蓋板內(nèi)滲入后，釬縫中釬料減少，導(dǎo)致釬縫中心存在較大的空隙，圖4e可以直接證明蓋板裂紋中滲入的Cu來(lái)源于釬縫。圖4f為經(jīng)過(guò)腐蝕后的失效件截面形貌。經(jīng)過(guò)腐蝕后，晶間發(fā)生Cu滲入后能夠明顯地顯現(xiàn)出來(lái)，可知蓋板及芯片內(nèi)部發(fā)生比較嚴(yán)重的晶間滲入問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，采用純Cu釬料釬焊不銹鋼，釬縫兩側(cè)的母材會(huì)發(fā)生輕微的晶間滲入問(wèn)題。Cu的晶間滲入不超過(guò)100 μm，而圖4f的Cu晶間滲入深度已經(jīng)超過(guò)了1 mm，晶間滲入的Cu已經(jīng)到達(dá)焊接熱影響區(qū)。因此可以推斷出蓋板內(nèi)部的Cu晶間異常滲入與TIG焊有關(guān)。

圖3 不銹鋼油冷器宏觀金相分析

圖4 不銹鋼油冷器失效件微觀金相分析

TIG焊時(shí)，由于TIG焊縫距離釬縫非常近，蓋板厚度為2 mm，考慮熔深的影響，TIG焊縫距離釬縫距離不足1.5 mm，釬縫處于TIG焊縫的影響區(qū)范圍內(nèi)。TIG焊時(shí)產(chǎn)生的熱量傳遞至釬縫中，導(dǎo)致釬料熔化，這一點(diǎn)可以從圖4e中發(fā)現(xiàn)。TIG焊時(shí)焊接熱影響區(qū)附近產(chǎn)生的拉應(yīng)力加劇了Cu的晶間滲入。Cu的晶間滲入導(dǎo)致蓋板的晶界強(qiáng)度降低，對(duì)于Cu晶間滲入嚴(yán)重的區(qū)域，蓋板焊接冷卻時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力足以導(dǎo)致晶界開(kāi)裂。而Cu晶間滲入不嚴(yán)重的區(qū)域沒(méi)有發(fā)生晶界開(kāi)裂現(xiàn)象。

對(duì)于圖3a中的情況，雖然蓋板部分區(qū)域沒(méi)有釬縫存在，但由于釬焊時(shí)釬料漫流至蓋板表面，Cu晶間滲入產(chǎn)生的效果與有釬縫時(shí)相同。

從圖3、圖4可知，失效件中實(shí)際存在的裂紋數(shù)目大于表面存在的裂紋數(shù)目，部分裂紋只是在蓋板內(nèi)部存在，沒(méi)有擴(kuò)展至表面，雖然沒(méi)有在密封性試驗(yàn)時(shí)造成產(chǎn)品泄漏，但存在較大的質(zhì)量隱患。如果產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)內(nèi)部存在的裂紋發(fā)生擴(kuò)散，同樣會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品開(kāi)裂泄漏。

1.4 焊接溫度場(chǎng)與殘余應(yīng)力模擬

由于焊接時(shí)，蓋板下表面處于產(chǎn)品內(nèi)部，無(wú)法通過(guò)熱電偶或紅外測(cè)溫儀測(cè)量蓋板下表面的溫度，因此采用焊接模擬的方法計(jì)算焊接時(shí)蓋板下表面的溫度變化。焊接模擬時(shí)采用的工藝參數(shù)與實(shí)際焊接時(shí)相同，焊接電流為220 A，焊接電壓為19 V，焊接速度6.5 mm/s。焊接順序也采用實(shí)際焊接順序，分3段焊接。蓋板厚度為2 mm，殼體板厚為1.5 mm。由于實(shí)際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模擬計(jì)算工作量大，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，只保留了殼體和蓋板零件，其他部位替換為支撐臺(tái)。焊接溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖5所示，分析發(fā)現(xiàn)，蓋板下表面的溫度超過(guò)了1 100 ℃，而純Cu的熔點(diǎn)為1 083 ℃，因此純Cu釬料發(fā)生了熔化。

對(duì)不銹鋼油冷器蓋板與殼體進(jìn)行焊接應(yīng)力場(chǎng)模擬，x、y方向的焊接殘余應(yīng)力模擬結(jié)果如圖6所示。從模擬結(jié)果可知，x方向和y方向最大殘余拉應(yīng)力都出現(xiàn)在焊縫附近，即焊縫附近的殼體和蓋板的上半部分。蓋板下表面的殘余應(yīng)力值較小，低于200 MPa。從失效件的金相分析可知，焊接殘余應(yīng)力最大處的殼體并沒(méi)有發(fā)生開(kāi)裂。而從不銹鋼蓋板下表面的應(yīng)力分布可知，下表面應(yīng)力值很小卻發(fā)生了開(kāi)裂。因此，可以確定焊接因素不是不銹鋼油冷器開(kāi)裂的唯一原因，結(jié)合失效件的金相分析結(jié)果，可以確定晶間滲入是焊接開(kāi)裂的另一重要原因。TIG焊產(chǎn)生的高溫、拉應(yīng)力與Cu釬料的晶間滲入共同作用下，導(dǎo)致蓋板開(kāi)裂失效。

圖5 蓋板與殼體焊接溫度場(chǎng)模擬

圖6 焊接應(yīng)力模擬

2 解決措施

對(duì)失效件進(jìn)行金相分析，以及采用焊接模擬方法進(jìn)行溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)模擬，都表明焊縫與釬縫距離過(guò)小，TIG焊的熱作用導(dǎo)致釬料熔化，TIG焊產(chǎn)生的殘余應(yīng)力加劇釬料的晶間滲入。因此增加了蓋板和殼體板厚。蓋板由目前的2 mm增加至3 mm，殼體板厚由目前的1.5 mm增加至2 mm。蓋板板厚的增加，直接增加了TIG焊縫與釬縫的距離，殼體板厚的增加，增加了焊接區(qū)域的散熱能力，減小焊接熱影響區(qū)，進(jìn)一步降低了焊縫時(shí)蓋板下表面的溫度。

圖7a為不銹鋼油冷器設(shè)計(jì)改進(jìn)后的蓋板與殼體焊接接頭截面宏觀金相。與圖3對(duì)比可知，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)后，焊縫距離釬縫的距離明顯增加，焊接熱影響區(qū)沒(méi)有出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，焊接熱影響區(qū)與釬縫沒(méi)有重合。圖7b為圖7a中紅色方框釬縫區(qū)域的局部放大，釬縫微觀組織正常，未發(fā)現(xiàn)明顯的Cu晶間滲入及開(kāi)裂現(xiàn)象。

圖7 蓋板與殼體焊接接頭截面金相分析

3 結(jié)論

1)不銹鋼油冷器出現(xiàn)泄漏失效是由于油冷器蓋板TIG焊縫附近的內(nèi)、外表面存在大量裂紋并貫穿連通而導(dǎo)致的。

2)裂紋產(chǎn)生的直接原因是蓋板與殼體的TIG焊接過(guò)程中發(fā)生了晶界開(kāi)裂，但根本原因是油冷器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，即TIG焊縫與Cu釬縫距離過(guò)小。

3)油冷器蓋板、芯片發(fā)生晶界開(kāi)裂的機(jī)理是：由于焊縫與釬縫距離過(guò)小，蓋板與殼體之間TIG焊接時(shí)產(chǎn)生的熱量使得蓋板、芯片之間的Cu釬縫熔化，熔化的釬料在蓋板中產(chǎn)生嚴(yán)重的晶間滲入現(xiàn)象，導(dǎo)致晶界強(qiáng)度降低，焊接冷卻收縮時(shí)發(fā)生開(kāi)裂。

4)采用增加蓋板和殼體板厚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)措施，不僅增大了焊縫與釬縫的距離，還增加了焊接區(qū)域的散熱能力，可有效地避免蓋板焊接開(kāi)裂問(wèn)題。

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Failure Analysis on Cracking of Stainless Steel Oil Cooler

MEI Chang-xing1，HE Peng2，LU Qing-song1，LIU Hao1，LUO Ai-jiao1，LIU Wei-jiao1

(1.ZhejiangYinlunMachineryCo.,Ltd.,ZhejiangTaizhou317200,China;2.StateKeyLaboratoryofAdvancedWeldingandJoining,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)

Most of the stainless steel oil coolers were found to leak during 100% encapsulation test after manufacturing. The quantity, distribution, shape, and compositional variation of the cracks of the failed products were analyzed by appearance and cross-sectional metallographic analysis. The influence of the TIG welding on the temperature field and residual stress of the cap and shell was simulated. The root cause for the cracks were studied by comprehensive analysis, and the improvement effect was verified by cross-sectional metallographic analysis. The studies show that the root cause for the leakage of the stainless oil coolers is the diffusion of the Cu brazing seams because of high temperature during TIG welding, resulting in intergranular cracks of the cap and the plates. The structure improving measurements to increase the thickness of the cap and the shell were proposed aiming at root cause.

HAZ cracking; remelting of brazing filler; intergranular penetration; metallographic analysis; simulation analysis

2016年3月1日

2016年5月12日

梅長(zhǎng)興(1985年-)，男，碩士，工程師，主要從事熱交換器新材料和新工藝等方面的研究。

TG115

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.03.007

1673-6214(2016)03-0162-06