微通道扁管焊合组织与承压性能分析

微通道扁管焊合组织与承压性能分析 微通道扁管焊合组织与承压性能分析 彭颖红，张少睿，李大永，唐鼎，李凯，范晓慧 (上海交通大学机械与动力工程学院) 5 摘要:由于微通道管向极端管径的发展，加强了细观结构特征，尤其是焊合界面对管材性能的影响。本文通过对扁管施加水压压爆实验，研究焊合组织分布对其失效模式与承压性能的 影响，发现内部筋壁组织分布不均匀，存在缺陷聚集。对此，采用数值仿真方法，通过壁厚减薄方式对缺陷的影响进行模拟，对比了有缺陷及无缺陷扁管在不同压强作用下，管材不同 10 部位的受力与应变情况，其中带有缺陷的模型其失效方式和极限承压数值均匀实验数据相似。 关键词:微通道扁管;焊合;微观组织，承压性能 中图分类号:TG739 15 Welding Microstructure and Pressure Performance of Microchannel Flat Tube Peng Yinghong, Zhang Shaorui, Li Dayong, Tang Ding, Li Kai, Fan Xiaohui (School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University) Abstract: In this paper，failure mode and pressure performance has been studied by 20 hydrostatic pressure burst test. Big grains mainly aggregated in the inner wall of welding areas,and then weaken the critical pressure.Based on numerical simulation method, the stress/strain values are calculated under different pressure. The critical pressure values with failure are very similar with the test data. Key words: Microchannel flat tube; welding; microstructure; pressure performance 25 0 引言 微通道平行流式热交换器(又称“微通道换热器”或“平行流微通道换热器”)为全铝结构，它因流道的微型化而实现了传热机理的突破，提高了热交换器的换热效率，同时，可以减少制冷剂的充注量并适用于工作压力较高的环保型制冷剂，从而使得换热器变得更加高效、紧 30 凑和环保[1-2]。此外，微通道扁管的管径与壁厚比很小，使其具有非常高的承压潜能，可用于峰值压力高达 15Mpa 的环保型二氧化碳制冷系统[3]。目前，日本开发出 0.2mm 直径的第 四代挤压铝合金微通道扁管，在 0.5mm 直径管的基础上比重减小 10%，换热效率进一步提 高 30%[4]。 微通道扁管具有管壁薄、密排空腔多、内腔面积小的结构特点，通常采用分流组合模挤 35 压工艺成形。在分流组合模挤压微通道扁管时，金属经分流后，会在焊合室内的分流桥下方经历一个固态焊合过程，从而在扁管横断面上留下数条焊缝，并存在于整个挤压型材长度上。这些焊缝往往代表材料结合最薄弱的部位，使得铝型材通常在接近焊缝处首先发生破坏，导致管材的承压性能下降。而随着微通道扁管向极端管径的发展，加强了微通道管挤压焊合面的几何尺寸、细观结构特征对管材承压性能的影响[5-6]，需要精确的、定量的计算方法对扁 40 管承压性能进行预测，为扁管挤压工艺设计提供理论支持。 基金项目:教育部博士点基金资助项目(20120073130010)，上海市自然基金资助项目(15ZR1424100)作者简介:彭颖红(1963-)，男，教授，主要研究方向:精密成形通信联系人:张少睿(1974-)，女，副研究员，主要研究方向:成形仿真. E-mail: shaoruiz@sjtu.edu.cn - 1 - 本文通过对微通道扁管的极限承压实验过程进行了实验观测与数值模拟，通过扁管承压 过程中的应力应变分布规律研究，定量分析扁管不同失效形式对其承压性能的影响，进而根 据扁管失效历程与扁管性能，形成扁管承压性能评估指标，研究扁管承压性能的影响因素， 为微通道管挤压成形工艺的设计提供理论支持。 45 1 微通道管承压极限实验 目前，主要通过极限压力试验来模拟扁管工作状态下的承压过程，定性及定量测得扁 管压爆变形情况及失效压强，分析扁管的极限承压性能。本文通过水压压爆的装置来模拟 扁管工作状态下的承压状态，利用数据采集装置及有限元数值模拟技术，对扁管从承压到 失效过程进行过程模拟。 50 图 1 为三次加压至压爆过程管内压力曲线如图。在管内承压至压爆全过程中，进水压力逐渐 增大，当增大至扁管压爆破裂出水时，压力瞬间降低至 0，证明扁管内已经失去承压能 力，扁管失效。观察数据曲线可知，扁管内承压变化趋势均匀，在个别位置有小幅波动， 波动主要来自密封接头处受高压后橡皮软塞的回弹反力。 55 (a) 第一次 (b) 第二次 (c)第三次 图 1 压爆试验高压水压力加载实时曲线 Fig. 1 Loading curve of purst pressure test 图 2 为三次压爆试验后，扁管鼓包压爆情况:扁管在承压压强逐渐增大过程中，首先在单 层薄壁处出现鼓包变形，在整个扁管方向出现条状鼓包;当管内承压达到一定程度的时候， 60 扁管某侧迅速鼓起成圆筒状，并在长度方向向扁管两侧扩散;当扩散到一定程度后，扁管 靠中央部位破裂泄露，高压水从管侧垂直于管方向喷出，扁管压爆失效。 图 2 扁管鼓包压爆示意图 Fig. 2 Burst pressure sample 65 根据数据采集获得三次压爆数据如表 1 所示，可知扁管压爆失效压强在 17.5MPa 左右， - 2 - 且不同试验件失效压强接近，说明各工件的承压能力接近，试验测试结果能够代表扁管的 承压性能水平。 表 1 扁管压爆失效压强数据 Tab.1 Failure pressure of burst test 试验编号 1 2 3 失效压强/MPa 17.2 17.5 17.6 70 2 微通道扁管压爆组织 微通道管承压后的宏观失效方式如图 3 所示，其内部承压后，会在内部筋壁的焊合线部 位产生拉应力，当焊合部位应力达到强度极限后，其内部筋壁会沿着焊合线断裂，使微通 道管产生爆裂。 75 图 3 微通道管焊合面的宏观失效模式 Fig. 3 Failure mode in the welding area 图 4 是利用蚀刻法对管截面承压性能(内部筋壁焊合强度)较低部位的金相组织。由图可 知，在管壁的横截面上，内部筋壁上沿着壁厚方向只有一个晶粒，在纵向方向上晶粒沿着焊合 面分层。一方面，层状的粗大晶粒会导致材料承载能力的严重下降，另一方面，焊合面 80 存在大量细观缺陷，导致钎焊热处理的再结晶过程中，晶界沿着焊合面形成。 图 4 微通道管焊合面的微观组织(化学蚀刻) Fig. 4 Microstructure in the welding area 为了对光学观察结果进行进一步分析，本文利用电子背散射衍射检验方法 (Electron 85 Backscattered Scattering Detection，EBSD)对微通道管在钎焊热处理前后焊合界面的微观形态进 行了观察对比。图 5 所示为钎焊热处理前后焊合面的微观组织形态。由图可知，钎焊前扁管横 截面晶粒成等轴状，纵截面也基本为等轴晶(平均长短轴之比为 1.59)，平均晶粒直径为 28μm。钎焊后，出现了晶粒长大现象，焊合区域出现了明显的焊合线。横向截面，焊合线将内 部筋壁划分为上下两个晶粒，而纵向截面上，晶粒沿着焊合线将管筋壁分为明显的 90 上下两层。内部筋壁的晶粒粗大以及焊合线上长晶界导致了材料强度的下降，也表明了焊 合界面存在缺陷的聚集。 - 3 - (a)横截面 (b)纵截面 95 图 5 钎焊热处理前后焊合面的微观组织形态 Fig. 5 Grain distribution before/after welding process 3 考虑焊合缺陷的压爆数值模拟 有限元模型 3.1 由于焊合界面缺陷的存在，孔壁部位的强度将在一定程度上有所降低，并直接影响到 100 扁管内的强度分布和失效具体位置的预测，扁管的承压性能也将随之发生改变。针对该问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的 存在，本文采用对标准的有限元模型筋部尺寸减薄建模来模拟实际钎焊后筋部有缺陷的扁管实 体。建立了扁管的有限元模型，对扁管极限压力试验全过程进行有限元模拟和分析。 对扁管材料进行力学性能试验，得到扁管芯体及钎焊层的材料性能数据如表 2 所示。 105 其中加载曲线和具体试验保持一致，通过对扁管内孔壁法向施加均布压强载荷。使用该载 荷方式能够模拟管内充满高压介质时压力场的分部规律。图 6 为通过辊弯弧减薄来模拟缺 陷的模拟设置。通过金相图的测量，对辊弯弧减薄 20%较为合适。 表 2 材料性能表 Lab. 2 Material parameters 性能参数 E/Gpa σs/Mpa σb /Mpa A/% 芯材 19.9 80.95 145.3 4.6 焊材 1.8 100.1 136.8 20.0 - 4 - 110 图 6 扁管减薄模拟缺陷设置 Fig. 6 Defect simulation model 3.2 结果与分析 图 7 为微通道扁管界面上不同部位应力应变随压强变化对比图。由图可知，由于筋部 115 强度的降低，外壁和筋部强度已经十分接近。筋部各个位置保持线性的变化规律，外壁处应 力应变强度较之无缺陷模型有所减小。依据应变失效准则，列出各个编号位置的失效压强数 值如表 3 所示。结果显示各段筋部失效压强在 16.8-18MPa 之间，与表 2 数据接近。扁管 最先失效位置在芯材筋部，其中由于各段筋强度较为接近，当最薄弱的某一筋部发生断裂 后，扁管内其他筋也将随之迅速断裂，直至鼓包成圆管状。 120 (a) 应变/压强 (b)应力/压强 缺陷扁管应力应变随压强变化对比图 图 7 Fig. 7 Strain/stress curve under different pressure 缺陷扁管筋部失效压强 表 3 Lab. 3 Failure pressure of burst test with defect simulation 125 位置号 1 2 3 4 失效压强/MPa 18 17.1 16.8 17.3 图 8-图 9 是有缺陷模型与无缺陷模型的外壁和筋位置承压强度的对比图。由图可以看 出，外壁强度未因为筋部减弱而发生较大变化，而筋部强度则没有明显的减弱。外壁位置在扁 管内出现缺陷时，强度有较为明显的下降，即使得该位置在管内压力递增时更快的达到失效断 裂准则。相比而言，筋部强度反倒没有受到太大影响，两种模型下应力应变曲线几乎重 - 5 - 130 合。 很显然，带有缺陷的模型承压性能和失效方式更加接近于试验事实。缺陷与无缺陷扁 管模型对比可以得出焊合缺陷的出现将会直接影响扁管内组织强度的大小与分布。 缺陷 缺陷 无缺陷 无缺陷 135 (a)应变/压强 (b) 应力/压强 图 8 外壁有无缺陷应力应变随压强变化对比 Fig. 8 Strain/stress curve under different pressure in the outer wall 缺陷 缺陷 无缺陷 无缺陷 (a) 应变/压强 (b) 应力/压强 140 图 9 筋部有无缺陷应力应变随压强变化对比 Fig. 8 Strain/stress curve under different pressure in the inner wall 4 结论 本文对微通道扁管进行了水压压爆实验，发现在扁管在承压压强逐渐增大过程中，首先在 单层薄壁处出现鼓包变形，当高压水从管侧垂直于管方向喷出时，获得极限压力数据。钎 145 焊后，扁管组织中出现了晶粒异常长大现象，形成了具有不均匀性能的的焊合线，降低了 承压性能。 为了研究这种不均匀组织对承压性能的影响，本文通过对壁厚减薄的方式，模拟研究了具 有缺陷的焊合组织的力学分布与承压失效形态，发现具有缺陷组织的失效压强数据相对 于无缺陷组织，更接近实验数据，同时焊合缺陷的出现将会直接影响扁管内组织强度的大小 150 与分布。 [参考文献] (References) [1] 王胜平，王方明，高鑫.浅谈微细通道换热器的作用[J].中国新技术新产品，2013，16:10 [2] 康盈，柳建华等.微通道换热器的研究进展及其应用前景[J].制冷技术，2012,40:45-48 [3] 丁国良，黄冬平. 二氧化碳制冷技术[M]. 北京: 化学工业出版社，2007 155 [4] Mushtaq I.H., Rageb A.A., Yaghoubi M., Homayon H.. 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