（化工过程机械专业论文）铜基钎焊不锈钢板翅式换热器的制造工艺研究.pdf

硕士学位论文 摘要 板翅式换热器作为高效、紧凑式换热器的一种，已广泛应用于石油化工、能源动 力、冶金、制冷等工业领域。作为热力系统的关键设备，目前对板翅式换热器的制造 工艺研究与工程实际需求还有一定的差距。 隔板拉伸成形与真空钎焊是铜钎焊不锈钢板翅式换热器制造工艺中最关键的两 个工艺。其中隔板的拉伸成形过程是一个同时包括几何非线性、材料非线性和边界条 件非线性等问题的复杂弹塑性大变形力学过程，这种复杂性给板料拉伸件模具设计带 来一定的困难。而板翅式换热器在真空钎焊的过程中，由于钎料与母体材料的力学性 能的不匹配，加上不锈钢板翅式换热器本身结构的复杂性，导致其报废率还比较高。 针对上述问题，本文通过理论分析、数值模拟和实验观察研究了铜基钎焊不锈钢 板翅式换热器的隔板与钎料的拉伸以及板翅结构的真空钎焊工艺，主要的研究工作与 得到的结论如下： ( 1 ) 以纯铜钎料与不锈钢隔板为研究对象，建立双层板料拉伸的三维有限元模 型，讨论了摩擦系数、铜钎料厚度、不锈钢隔板厚度以及拉伸速度对双层板料拉伸体 系成形后不锈钢隔板回弹量的影响，从而优化了板料拉伸成形工艺。通过x 射线衍 射试验测定板料拉伸后残余应力，与模拟结果进行比较，结果基本一致。 ( 2 ) 在纯铜钎料与不锈钢隔板双层板料拉伸三维有限元模型中引入g t n 塑性损 伤模型，深入研究板料成形过程中材料损伤的孔洞演化和分布，并与未加损伤模型时 的计算参量相比较，前者计算值小于后者。 ( 3 ) 简述了真空钎焊接头的形成机理，基于热弹塑性理论，建立了不锈钢板翅 结构与纯铜钎料真空钎焊的二维有限元模型，对钎焊残余应力进行了有限元分析，获 得了钎焊残余应力的分布规律，结果发现钎焊区域是整个接头的高梯度应力发生区。 并进一步讨论了工艺参数对钎焊残余应力的影响，优化真空钎焊工艺。 关键词：不锈钢板翅结构拉伸成形回弹g t n 损伤模型真空钎焊残余应力 a b s t r a c t a b s t r a c t p l a t e - f i nh e a te x c h a n g e r ，a so n eo ft h ee f f e c t i v ea n dc o m p a c th e a te x c h a n g e r s ，i s w i d e l yu s e di n t h ef i e l d so fp e t r o c h e m i c a le n g i n e e r i n g ，e l e c t r i cp o w e r , m e t a l l u r g y , r e f r i g e r a t i o n ，e t c h o w e v e r , a st h ek e ye q u i p m e n t o ft h e r m a ls y s t e m ，t h e r ei sac e r t a i ng a p b e t w e e nt h em a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t sf o rp l a t e - f i nh e a t e x c h a n g e rc u r r e n t l y m e t a lf o r m i n ga n dv a c u u mb r a z i n gc o n s i s to ft h em o s tt w oi m p o r t a n tm a n u f a c t u r i n g p r o c e s st e c h n o l o g i e sf o rp l a t e f i nh e a te x c h a n g e r , o f w h i c ht h ed r a w i n gp r o c e s so fp a r t i t i o n p l a t e s i sal a r g ee l a s t i c - p l a s t i cd e f o r m a t i o np r o b l e mo fc o m p l e xm e c h a n i c a lp r o c e s s ， i n c l u d i n gg e o m e t r i cn o n l i n e a r i t y , m a t e r i a l n o n l i n e a r i t y a n d b o u n d a r y c o n d i t i o n s n o n l i n e a r i t y t h e s ec o m p l e x i t i e sc o u l db r i n ga b o u tg r e a td i f f i c u l t i e sf o rt h ed e s i g no fs h e e t m e t a lm o l d s ，a n dr e s u l ti n l o t so fd r a w i n gd e f e c t s a sf o rt h ev a c u u mb r a z i n gp r o c e s so f p l a t e f i nh e a te x c h a n g e r , o w i n g t ot h em i s m a t c h i n go fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ef i l l e r m e t a la n dp a r e n tm e t a l ，a sw e l la st h ec o m p l e x i t yo fi t s e l fs t r u c t u r e ，t h e r es t i l le x i s t sah i g h s c r a pr a t e t od e a lw i t ht h ea b o v em e n t i o n e dp r o b l e m s ，t h i st h e s i ss t u d i e st h et w om a n u f a c t u r i n g p r o c e s s e s - - m e t a ld r a w i n gp r o c e s so ff i l l e ra n dp a r t i t i o np l a t ea n d v a c u u mb r a z i n g p r o c e s s o fp l a t e f i ns t r u c t u r ef o rc o p p e rb a s eb r a z e ds t a i n l e s ss t e e lp l a t e f i nh e a te x c h a n g e rb yt h e w a yo ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，c o m p u t e rs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l m e t h o d s t h em a i n r e s e a r c hw o r ka n dc o n c l u s i o na r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) at h r e ed i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e l w a se s t a b l i s h e df o rt h ep u r ec o p p e rf i l l e r a n ds t a i n l e s ss t e e lp a r t i t i o np l a t e t h ee f f e c t so ff r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，p u r ec o p p e rf i l l e r t h i c k n e s s ，s t a i n l e s ss t e e lp a r t i t i o np l a t et h i c k n e s sa n dp u n c hs p e e dw e r ed i s c u s s e df o rt h e s p r i n g b a c ko fs t a i n l e s ss t e e lp a r t i t i o np l a t ea f t e rt h eb i l a y e rm a t e r i a l sd r a w i n gp r o c e s s ， w h i c ho p t i m i z e dt h ed r a w i n gp r o c e s s t h e n ，t h ee x p e r i m e n t o fx - r a yd i f f r a c t i o nw a s c a r r i e do u tt om e a s u r et h er e s i d u a l s t r e s so ft h ef o r m e dm e t a l b a s i c a l l yt h es a m e c o n c l u s i o nc o u l db ef o u n da f t e rt h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h em e a s u r e da n dn u m e r i c a l i i 硕士学位论文 r e s u l t s ( 2 ) t h eg t np l a s t i cd a m a g em o d e lw a si n t r o d u c e dt ot h et h r e ed i m e n s i o n a lf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sf o rc u s s 3 0 4b i - l a y e rm a t e r i a l sd r a w i n gp r o c e s s ，i no r d e rt og e ta d e e p s t u d yo ft h em i c r o 。p o r e se v o l u t i o na n dd i s t r i b u t i o ni nt h ep r o c e s so fm e t a ld r a w i n g t h e c a l c u l a t e dp a r a m e t e r sb ym i s e s - g t nm o d e la r es m a l l e rt h a nt h o s e b yt h em i s e sm o d e l ( 3 ) ab r i e fd i s c u s s i o nw a sd e v e l o p e df o rt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fv a c u u mb r a z i n g jo i n t b a s e do nt h e r m a l e l a s t i c - p l a s t i ct h e o r y , at w od i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e lo f c o p p e rb a s eb r a z e ds t a i n l e s ss t e e lp l a t e - f i ns t r u c t u r ew a se s t a b l i s h e dt os t u d yt h eb r a z i n g r e s i d u a ls t r e s s a c c o r d i n gt ot h ed i s t r i b u t i o no fb r a z i n gr e s i d u a ls t r e s s ，t h eb r a z i n gj o i n ti s t h ek e ya r e aw i t hh i g h 。g r a d i e n tr e s i d u a l s t r e s s a l s o ，f u r t h e rd i s c u s s i o n so ft h ep r o c e s s p a r a m e t e re f f e c t sw e r ec a r r i e do u to nt h eb r a z i n gr e s i d u a ls t r e s st oo p t i m i z et h ev a c u u m b r a z i n gp r o c e s s k e y w o r d s ：s t a i n l e s ss t e e lp l a t e f i ns t r u c t u r e ；d r a w i n g ；s p r i n g b a c k ；g t nd a m a g e m o d e l ；v a c u u mb r a z i n g ；r e s i d u a ls t r e s s i i i 硕士学位论文 l 二二二二一 目录 摘要i a b s t r a c t 一i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 板料拉伸成形及回弹的数值模拟研究进展一3 1 2 1 拉伸成形模拟的发展3 1 2 2 回弹缺陷的研究现状4 1 2 3 g t n 模型在板料拉伸成形中的应用研究一4 1 3 不锈钢板翅换热器真空钎焊技术的研究进展5 i 3 1 真空钎焊工艺的发展5 1 3 2 不锈钢板翅换热器钎焊的发展趋势6 1 。4 本文的研究目的与主要内容7 1 4 1 本课题的来源与研究目的7 1 4 2 本文的主要内容8 参考文献9 第二章不锈钢隔板与铜板双层拉伸成形有限元分析及试验1 5 2 1 引言1 5 2 2 金属板料拉伸成形的主要缺陷及处理1 5 2 2 i 起皱及处理1 6 2 2 2 破裂及处理1 6 2 2 3 回弹及处理“1 7 2 33 0 4 不锈钢隔板与铜板双层拉伸成形有限元数值模拟一1 8 2 3 1 单元模型及有限元网格的划分”1 8 2 3 2 边界条件一1 9 2 3 3材料模型”2 0 2 3 4 接触模型一2 0 2 4 计算结果与分析2 1 2 4 1摩擦系数对回弹量的影响”2 2 2 4 2 铜钎料厚度对回弹量的影响2 3 2 4 - 3 不锈钢隔板厚度对回弹量的影响2 4 2 4 4 拉伸速度对回弹量的影响一2 5 2 5 基于x 射线法的残余应力测定试验2 6 2 5 1 x 射线应力测定的基本原理一2 7 2 5 2 应力测试仪器及测试结果一2 8 2 6 本章小结2 9 参考文献3 0 第三章基于g t n 塑性损伤模型的板料拉伸成形模拟研究3 1 3 1 引言一3 1 3 2 基于g t n 塑性损伤模型的有限元分析3 1 3 2 1g t n 损伤模型的描述31 3 2 2 模型参数的确定3 3 3 2 3s s 3 0 4 c u 双层板料拉伸成形的损伤模拟3 4 3 3 结果分析与讨论3 5 3 4 本章小结4 1 参考文献4 1 第四章 3 0 4 不锈钢板翅结构钎焊残余应力的有限元分析4 3 4 1 引言4 3 4 2 真空钎焊接头的形成机理4 3 4 2 1 真空钎焊氧化膜的去除4 3 4 2 2 钎料对母材的润湿与铺展4 4 4 2 3 钎料的毛细流动：_ 4 5 4 2 4 液态钎料与母材间的相互作用4 5 4 3 钎焊残余应力热弹塑性本构模型4 7 4 3 1 应力一应变关系4 7 4 3 2 平衡方程4 8 4 4 3 0 4 不锈钢板翅结构钎焊残余应力有限元数值模拟4 9 硕士学位论文 4 4 1 有限元模型及网格划分4 9 4 4 2 边界条件5 0 4 4 3 材料参数5 1 4 5 计算结果与讨论5 1 4 5 1 钎焊温度对残余应力的影响5 5 4 5 2 钎焊保温时间对残余应力的影响5 6 4 5 3 钎焊间隙对残余应力的影响5 8 4 5 4 钎焊压力对残余应力的影响5 9 4 6 本章小结6 l 参考文献6 1 第五章结论与展望6 3 5 1 结论6 3 5 2展望6 3 攻读硕士学位期间成果一6 5 致谢6 6 硕士学位论文 二二i = 一 1 1 引言 第一章绪论 板翅式换热器( p l a t e f i nh e a te x c h a n g e r ，简称p f h e ) 以其结构紧凑、传热效率 高、轻巧而牢固、适应性大、经济性能好等特点已广泛应用于石油化工、能源动力、 冶金、制冷等行业领域，步入了一个新的发展时期【l - 3 】。然而由于能源问题的日渐突 显，不仅对换热器的重量和体积提出了更高的要求，而且对换热器的效率及紧凑性提 出了近乎苛刻的要求。作为热力系统的关键设备，目前对板翅式换热器的制造工艺研 究与工程需求还有一定的差距l 4 j 。 一台完整的板翅式换热器制造工艺过程主要包括：零件制备；焊前清洗；原件组 装；真空钎焊；总装；试验与检查，其制造流程图见图1 1 。通常情况下板翅式换热 器的隔板都是按照需要的长度下料剪切而成，但有时为了满足特殊的场合需求，使用 拉伸成形，如本文所研究的具有特殊翻边结构的铜基钎焊不锈钢板翅式换热器，拉伸 成形工艺和真空钎焊工艺构成了其制造的两大主要工艺。 拉伸加工成形的特点决定了金属薄板拉伸成形过程是一个同时包括几何非线性、 材料非线性和边界条件非线性等问题的复杂弹塑性大变形力学过程，这种复杂性给板 料拉伸件模具设计带来很大困难，从而造成成形过程中产生很多缺陷，如拉裂、起皱 及回弹等【5 石】。长期以来，国内外专家学者对板料的成形性能以及影响成形过程的各 种因素进行了大量的理论和实验研究，取得了丰富的研究成果，但是在微观层面上对 板料拉伸成形后的塑性损伤研究还很少f 7 8 】。一般认为材料的塑性损伤、破坏过程是 由于孔洞在局部应力应变场下的形核、长大和聚合造成的，但是由于孔洞的长大到材 料最终完全失效之间的时间极短，无法通过试验手段观察。因此，借助耦合了塑性损 伤本构方程的有限元模型来观察成形后板料微观孔洞的演化过程成为了必然【9 1 1 1 。 板翅式换热器的真空钎焊工艺是由层一层的板式体叠加到设计的高度，经组装 完成后送到真空钎焊炉中高温钎接，使得各部件接触部分熔合在一起成为一个整体的 过程 1 2 - 1 3 】。铜基钎料具有很高的耐腐蚀性能，并且在低温条件下铜没有冷脆性。因为 随着温度的降低，纯铜的抗拉强度和延伸率不但不降低，反而提高1 1 4 j5 1 。铜的这些基 本性能使得铜基钎料在低温换热器中被广泛应用。但是在钎焊过程中，由于钎料与母 焊工艺尚存在不少问题。其中最显著的问题就是翅片与隔板间的钎焊接头存在较大的 残余应力，对芯体的结构完整性产生了很大影响。因此消除或降低钎焊残余应力对于 保证结构完整性非常重要。 原材料 r a wm a l e r i a 】s 中压成形 测量切断 f o r m i n g m e a = u r e c u t t l n g 囤 l 一 叫 l j _ l m 1 i r 。a 黼z h i n g 目二二二】 o 嚣。齑部装一。解r y l n 。 m a te r id 2 叠昌昌盈c ms 曲a m u y 嘲嘲躐黼辫蓬墼露融 。般t e x 船c h 。z t 科曜。厂”、 1 l r - 6 ) l e s u n 暑峨dl n e c e l n g 图1 1 具有特殊翻边结构的板翅式换热器的制造工艺流程 f i g 1 - 1 m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sf o rp l a t e f i nh e a te x c h a n g e rw i t hs p e c i a lf l a n g es t r u c t u r e 随着计算机技术的发展，数值模拟在板翅式换热器的制造工艺中意义重大。应用 计算机仿真技术，一方面，能够在模具制造之前，从理论上认证隔板成形的可行性， 减少模具设计方案的风险，从而达到减低成本、缩短周期的效果；另一方面，能够实 现工艺参数的优化( 1 6 - 17 1 。利用数值模拟技术可以模拟隔板坯料在拉伸过程以及芯体在 钎焊过程的真实状况，定量的分析模具间隙、摩擦力大小、材料参数、拉伸速度以及 钎焊温度、保温时间、隔板与翅片的厚度等各种因素对板翅式换热器制造过程的影响 并进行灵敏的分析与优化设计。同时，数值模拟技术还可以与通用的c a d c a m 软 件如u g 、c a t i a 、p r o e 等集成为c a d c a e c a m 一体化技术。在无需动用实际的原 材料和设备的情况下，就可以准确的模拟产品设计、制造及检验的全过程，节省了大 2 硕士学位论文 量的人力和财力，具有重大的意义 1 8 - 2 0 1 。 1 2 板料拉伸成形及回弹的数值模拟研究进展 1 2 1 拉伸成形模拟的发展 板料成形数值模拟技术的发展是是建立在有限元技术发展基础之上的。但是早期 的有限元模拟只能处理弹性力学问题，其应用仅仅局限于结构计算和结构动力分析。 直到1 9 7 3 年，l e e 2 1 】提出了刚塑性有限元法，才把这一方法用于分析拉伸成形问题， 这也是历史上第一次用有限元方法来模拟拉伸成形过程。1 9 7 6 年，w i f i 2 2 j 用弹塑性 有限元法模拟圆形板料在半球形凸模作用下的胀形和拉延过程。1 9 7 7 年，在美国通 用汽车公司召开的一个关于板料成形过程力学分析的研讨会上，k o b a y a s h i 2 3 1 用刚塑 性有限元法模拟了板料液压胀形也半球形凸模作用下的拉延过程。次年，w a n g 和 b u d i a n s k y 2 4 】根据非线性薄膜理论采用弹塑性大变形t l 法分析了平底冲头和半球 形冲头下的拉延成形问题。 2 0 世纪8 0 年代，板料拉伸成形有限元数值模拟得到了迅速发展，主要应用在汽 车工业领域。f o r d 汽车公司的t a n g 2 5 1 等从1 9 8 0 年开始在汽车覆盖件成形分析的弹塑 性有限元方法研究做出了不懈的努力，开发了m t l f r m 系统，并在生产中投入使用。 1 9 8 2 年，l e e 等研制出了一套预测板料成形失败的软件，包括材料参数库和成形极限 数据库。1 9 8 5 年，t o h 【2 6 】采用板壳单元的刚塑性有限元法分析了三维方盒件的拉延过 程。1 9 8 6 年，y a n g 2 7 1 建立了平面塑性各向异性的刚塑性有限元列式。1 9 8 9 年， h o n e c k e r 2 8 】采用d y n a 3 d 程序分析了方盒件的成形，并首次得nt 与实验结果较吻 合的起皱形状。与经典的静力隐式平衡迭代求解方法相比，动态显示解法具有计算内 存少，速度快，易于并行处理，接触处理高效简单等优点，尤其适合复杂成形件的求 解。但是对于成形后的卸载过程，静力隐式解法由于具有无条件的稳定性，反而占有 优势。 9 0 年代以后，板料成形分析向c a d c a e c a m 一体化方向发展，开发了“虚拟 制造系统”( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) ，同时有限元的显式积分算法也逐步进入板 料成形领域，并把理论研究逐步推向了实际运用。大量的研究工作不断在有关国际会 议和刊物上发表，展示了板料成形分析发展的各个方面的研究状况。c l e v e l a n d 和 g h o s h 2 9 1 提出在模拟板料成形的加载与卸载过程中考虑非弹性应变，以便得到更精确 的结果。c h u n g 和l e e 推导出各向同性一动力硬化准则公式，以补偿b a u s c h i n g e r 效 气 第一章绪论 应的影响，并将其应用在二维弯压模型上。模拟结果与实验的一致性证明了公式的有 效性。x u 3 0 1 的研究表明卸载后的回弹量受多种参数的影响，例如有限元单元类型的 选择、网格大小、积分点的数目、压边力的大小，摩擦状态，冲头的速度等。l i u l 3 u 和v i s w a n a t h a n 3 2 】分别采用正交实验法和人工智能网络对拉伸过程工艺参数进行优 化。 1 2 2 回弹缺陷的研究现状 关于拉伸后回弹的研究，大致可以分为三个方面：一是理论研究，主要是根据塑 性理论对典型的成形工艺或零件建立经过简化的力学模型，用解析方法或数值方法获 得解答，以研究、揭示成形过程中回弹现象的本质；二是有限元模拟分析，即数值模 拟；三是实验研究及回弹的工程控制。随着7 0 年代计算机模拟技术在金属板料成形 中的应用，运用数值模拟对回弹的预测也得到可靠的发展，为模具的合理性设计及改 进提供了科学依据。 国内，哈尔滨工业大学刁法玺【3 3 1 基于连续介质力学及有限变形理论，建立了适合 于三维板料成形分析的显式算法的有限元数学模型，开发了板料v 形弯曲回弹模拟 有限元程序d e s s f o r m 3 d 。吉林大学的兰风崇应用d a n a f o r m 软件对u 形件 拉深成形回弹影响因素进行了计算机仿真，得到了压边力、凸凹模间隙、摩擦系数、 材料特性等参数对回弹影响的数值结果，并对模拟结果进行了分析。刘艳芳【3 5 】给出了 加载成形中的应力计算方法，并采用无模法建立了卸载回弹的计算模型。提出一种不 同于传统的初始单元弹性化处理的方法，提高了回弹的计算精度。国外，f p o u r b o g h r a t 3 6 1 提出一种基于膜单元的能够对二维弯曲回弹进行快速预测的理论模型。 s i h 3 7 1 用塑性增量理论和有限元法研究了a o o h 钢板的不均匀变形的回弹问题。y o u 3 8 】 应用膜单元和l a g r a n g i a n 增量解法，分析了非轴对称拉伸件的拉深成形过程，计算 了矩形板在半球形凸模的作用下成形后的卸载回弹。 由于有限元模拟的方法能够定量地描述各种参数对回弹的综合影响，所以它是分 析回弹的非常有用的工具。其主要不足在于计算量大、计算时问长，对较大型的成形 件的模拟和回弹分析还难以在微机上实现。另外，回弹模拟的准确性和收敛性一直是 板料成形数值模拟的一个瓶颈 3 9 - 4 0 】。 1 2 3g t n 模型在板料拉伸成形中的应用研究 材料的宏观响应与其微观结构是有本质联系的。微观损伤模型可以反映随着塑性 4 硕士学位论文 变形增大，金属材料宏观力学性能由于内部损伤累积而逐渐劣化的过程。1 9 7 7 年 g u r s o n 4 1 】提出了有限大基体中含微孔洞的体胞模型，并在此基础上推导出多孔延性材 料细观损伤模型。随后t v e r g a a r d 和n e e d l e m a n 对原模型进行了修正，即g t n ( g u r s o n t v e r g a a r d n e e d l e m a n ) 损伤模型。该模型用损伤变量孔洞体积分数来反映 材料内部微小缺陷的发展变化。与传统塑性模型相比，它考虑了静水应力对屈服准则 的影响，自然而然地反映了成形历史，并可以将材料的塑性行为和损伤发展耦合起来。 近年来，随着高强度钢种的迅速发展，寻求一种能够更加准确描述板料成形过程中材 料塑性行为的模型就显得格外迫切。一般经过拉伸后板材呈现塑性各向异性，但通常 在应用传统的g t n 模型时将基体材料假设为各向同性且不考虑应变硬化的理想刚 塑性材料，所以它不适应于弹性性能不可忽略且具有较强塑性各向异性性能的金属板 材。1 9 9 7 年，l i a o 针对平面应力状态下的各向异性多孔板材提出了一种近似屈服准 则。2 0 01 年，c h i e n 通过建立含有球状孔洞的三维立方体有限元模型验证了l i a o 近 似屈服准则的有效性。另外，d o e g e t 4 2 1 提出了各向异性g t n 模型并模拟7 - - 维圆杯 深拉成形工艺。b r u n e t 4 3 基于各向异性g t n 模型提出了可同时适用于线性和非线性 应变路径的理论成形极限准则。p r a t 和g r a n g e l 4 4 1 将此模型用于分析氢化锆合金管和 板材成形中的氢化物对材料破裂的影响。c h e n 4 5 l 将b a r l a t 9 1 六分量各向异性本构模 型表征铝合金的材料矩阵。c h e n 基于h i l l 4 8 各向异性屈服准则提出一种扩展的 g t n 损伤模型，并将其应用于大型商业软件a b a q u s 研究板料成形的塑性损伤情 况。 1 3 不锈钢板翅换热器真空钎焊技术的研究进展 1 3 1 真空钎焊工艺的发展 真空钎焊是熔点比基体金属低的钎料熔化后，借毛细作用填满接头间隙，从而 获得不可拆卸接头的一种工艺方法。近几年来，随着科学技术的不断发展，特别是家 电工业( 尤其是制冷行业，包括制冷设备，如电冰箱、空调及其三通、四通阀等配件) 、 汽车工业( 油冷却器、蒸发器和散热器等) ，钎焊技术应用也越来越广泛【4 6 4 8 1 。 最初的钎焊是在普通大气条件下进行的，不采用任何保护措施，工件材料在加热 过程中，必然会遭受周围大气的侵入，发生氧化或污染，钎焊接头质量得不到保证。 为了防止氧化污染，去除工件表面的氧化膜和改善钎缝形成过程，使用银基钎料或铜 基钎料并配合使用硼酸和硼砂等化合物作为钎剂，使接头质量得到极大的提高，钎焊 s 第一章绪论 工艺的应用范围也得到较大的扩展。随着现代科技与生产的迅猛发展和航空航天等尖 端工业的兴起，新的铝合金、钛合金和高温合金等特殊材料的不断涌现和使用，对钎 焊技术提出了越来越高的要求，仅只依靠钎剂提高钎焊质量已不可能满足要求。这时 一种不用焊剂而向钎焊区通入受控保护气体的炉中钎焊工艺出现了，气体一般选用氮 气、氢气或惰性气体氢气，取得了很好的效果，解决了不少生产难题。但是，这类工 艺消耗气体多，经济效益差，对环境会造成污染，而且使用氢气时，还可能会有爆炸 危险，使这种工艺的推广受到了定的限制。为了克服这些不足，随着真空技术的发 展，真空钎焊技术便应运而生。 最早的真空钎焊使用热壁真空炉，炉室较小，容纳零件有限，使用温度也受限制， 冷却周期长，适应被钎焊材料的范围也较窄，加之用于高温、高强部件的钎料为金基 钎料或贵金属钎料，钎焊成本高，致使真空钎焊技术在这时期的应用仅限于少数尖端 产品，得不到普遍的推广。1 9 4 8 年，美国w a l lc o l o n o m o n y 公司首先研制出可 用于高温部件的、具有高强性的镍基钎料a m s 4 7 7 5 ，使钎料的成本降低了8 0 左右， 对真空钎焊技术的发展起到了极大的促进作用。1 9 5 8 年，美国i p s e n 公司首先研制 成功真空密封高速风扇电机惰性气体循环真空炉，具有强制对流冷却机能。这种新型 真空炉的使用，为真空钎焊技术在各个工业领域内的广泛应用奠定了基础。 1 3 2 不锈钢板翅换热器钎焊的发展趋势 目前，国内外对不锈钢板翅式换热器真空钎焊技术的研究越来越深入，主要集中 在以下三个方面： ( 1 ) 新型钎料的开发 不锈钢真空钎焊是通过钎料对母材的润湿、溶解和相互作用来实现金属间的连 接，因此钎焊时钎料的冶金性能对钎焊的质量起着极其重要的作用，不锈钢钎料的研 究也因此受到了广泛的重视。 1 ) 添加微量元素。早在2 0 世纪中期，国外在研究a g c u 钎料钎焊不锈钢和陶瓷 时，就发现v 、n b 、z r 、h f 等元素的添加可以明显改善钎料对母材的润湿性能。 g a l l 和w a l l i s i 5 0 1 先后研究了向镍基钎料中添加m n 、c o 、s n 等合金化元素，以提 高其冶金性能和钎焊性能。另外，根据一些研究出的合金相图可知，一些微量元素的 添加，如s i 、b 、p 等，能与金属形成固溶体，降低钎料的熔点，从而能够减少金属 元素的蒸发量，并能促进母材与液态钎料的互相溶解，有利于非金属元素的扩散均匀 6 硕士学位论文 化，有效减少钎缝中脆性物的生产，提高钎焊接头的性能【5 l 】。周继锋，李国亮【5 2 】研 究了c u 基钎料中微量元素的添加，对钎焊性能的影响，研制开发了降低c u 基钎 料熔点，提高钎焊接头性能的c u s i m n 合金钎料。 2 ) 优化钎料成形工艺。钎焊材料的生产与电焊条不同之处是：电焊条的技术关 键在于配方，而钎料生产的关键在于生产加工工艺，特别是在钎料的成形技术上。根 据钎焊的需要和钎料的加工性能，常将钎料加工成不同的形状。真空钎焊中应用较多 的是丝状、箔状、带状、粉状或膏状。近年来随着急冷快淬技术的研究，非晶态钎料 技术取得了突破性的进展1 5 3 1 。非晶态合金钎料在真空钎焊时可以避免粘合剂燃烧产物 污染炉膛而缩短炉子的使用寿命的可能性，在许多情况下可代替含银钎料。 ( 2 ) 真空钎焊工艺参数的研究 国内外学者从钎焊接头微结构、强度、失效等角度进行了研究，重点研究了钎焊 接头间隙( 钎料厚度) 、钎焊温度、保温时间、接头外载荷、冷却速度的影响规律及 优化。j o h n s o n 【5 4 1 提出了一个“温度一时间一间隙平衡图的概念。根据此图可以确定 预定的钎焊工艺参数对钎焊接头组织的影响。r a b 憾n 【5 5 1 对真空钎焊工艺进行了系列 研究，通过对钎焊接头处元素的x 衍射分析，表明钎焊温度和冷却速率会影响钎料 元素的扩散。刘红【5 6 】等研究了马氏体不锈钢的钎焊工艺及接头的组织。王忠平刚等 研究了钎焊间隙与钎焊压力的关系，并测试了压力对钎焊接头组织的影响。 ( 3 ) 钎焊残余应力有限元分析 2 0 世纪7 0 年代，国外就有学者利用有限元法开始研究焊接过程中的应变和应力。 但是关于钎焊残余应力的分析，起步较晚。到9 0 年代，l e v y 【5 8 1 和p r i n t s c h o v i u s t 5 9 1 基 于有限元法分析了陶瓷与金属钎焊残余应力，发现接头失效主要由钎焊残余应力引 起。v a i d y a 6 0 1 等利用数值模拟分析了m o s i 2 和316 l 不锈钢钎焊接头的残余应力， 并用中子衍射测定了残余应力，证明了数值模拟的有效性。吴昌忠6 1 】等对金属与陶瓷 钎焊接头的残余应力进行了有限元分析，着重讨论了钎料种类对残余应力的影响。李 军民吲等对1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢散热器电子束钎焊接头残余应力进行了分析，并优化 了钎焊工艺。 1 4 本文的研究目的与主要内容 1 4 1 本课题的来源与研究目的 本课题来源于教育部新世纪人才基金项目( n c e t _ 0 7 0 4 3 4 ) ：低温烟气余热回收 7 第一章绪论 的不锈钢肋板式换热器的研究。 本课题的研究目的：通过模拟s s 3 0 4 c u 双层板料拉伸成形中各个因素对回弹的 影响，并以实验论证有限元方法的有效性，为拉深成伸工艺提供指导；利用有限元模 拟获得拉伸成形过程中无法观测的以孔洞为表征的塑性损伤在板料成形中的演化过 程；模拟分析铜基钎焊不锈钢板翅结构中工艺参数对残余应力的影响，为真空钎焊工 艺提供依据。 1 4 2 本文的主要内容 不锈钢板翅式换热器是一种很有发展潜力的高效紧凑换热器。相关技术的发展虽 然促进了不锈钢板翅式换热器的发展，但是其板翅冲压、钎焊及使用性能仍然存在很 多问题。首先大多成形的工艺的设计主要靠经验来完成，对提高板料在成形过程中产 生损伤以及成形后的回弹量预测精度比较模糊，所以难以保证产品的开发周期和质 量。同时对钎焊工艺参数对不锈钢板翅式换热器的使用性能的影响，缺乏理论和试验 的定量研究。现在基于有限元法的数值模拟已经成为能较准确的模拟拉伸成形及钎焊 过程，本文借此方法进行以下内容的研究： ( 1 ) 阐述板料拉伸成形动态显式非线性分析的有限元理论，介绍成形后常见的 缺陷及处理方法，探讨拉伸成形中接触与摩擦的处理方法。以纯铜钎料与不锈钢隔板 为研究对象，建立双层板料拉伸的三维有限元模型，讨论摩擦系数、铜钎料厚度、不 锈钢隔板厚度以及冲头速度对双层板料拉伸体系成形后不锈钢隔板回弹量的影响，从 而优化板料拉伸成形工艺。通过x 射线衍射试验测定板料拉伸后残余应力，与模拟 结果进行比较。 ( 2 ) 描述g t n 塑性损伤模型及其参数的确定问题。在第二章纯铜钎料与不锈 钢隔板拉伸成形的基础上引入g t n 塑性损伤模型，深入研究板料成形过程中材料损 伤的孔洞演化和分布，并与未加损伤模型时的计算参量相比较。 ( 3 ) 简述真空钎焊接头的形成机理，并基于热弹塑性理论，建立不锈钢板翅结 构与纯铜钎料真空钎焊的二维有限元模型，对钎焊残余应力进行了有限元分析，获得 了钎焊残余应力的分布规律，并讨论了工艺参数对钎焊残余应力的影响，优化真空钎 焊工艺。 8 硕士学位论文 参考文献 1 凌祥，涂善东，陆卫权板翅换热器的研究与应用进展【j 石油机械，2 0 0 0 ，2 8 ( 5 ) ： 5 4 - 5 8 2 】焦安军，厉彦忠，陈曦等新型紧凑式低温换热器的研究与进展 j 低温与超导， 2 0 0 1 ，2 9 ( 1 ) ：8 - 1 3 3 嵇顺达我国板翅式换热器技术进展 j 】低温与特气，1 9 9 8 ，( 1 ) ：2 2 - 2 8 4 陈树军，汪荣顺紧凑式低温换热器的发展概况 j 低温技术，2 0 0 9 ，3 4 ( 5 ) ： 3 2 8 - 3 3 1 5 s u ncz ，c h e ngl ，l i nzq d e t e r m i n i n gt h eo p t i m u mv a r i a b l eb l a n k - h o l d e rf o r c e s u s i n ga d a p t i v er e s p o n s es u r f a c em e t h o d o l o g y ( a r s m ) j i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo