钛合金板翅式结构真空钎焊过程温度场均匀性研究

板翅式换热器因其传热效率高、性价比高、结构紧凑轻巧等特点被广泛应用于航空航天、潜艇、航母等高端装备动力与环控系统中[1-2]

板翅式换热器通常用于高压、大载荷、高温等极端环境条件

与传统的铝合金、不锈钢材质相比，钛合金材料耐高温、耐腐蚀、强度高，能够更好地应对高温气体(470~870 K)[3-5]

板翅结构作为板翅式换热器的核心部件[6-7]，在钎焊过程中的传热过程比较复杂，涉及材料与炉体间的热辐射，以及工件间的热传导等[8-9]

焊接的热过程直接决定了焊后的显微组织、残余应力与变形，但由于实际生产中真空炉的温度难以测定，因此，采用仿真模拟的方法更加方便快捷且成本较低，可对实际生产起到指导作用[10]

同时温度场的准确计算是焊接冶金分析、形性一体化调控的前提[11]

目前，研究人员针对钎焊过程的数值模拟进行了大量的研究

LOU等[12]建立了一个基于壳单元的连续热结构有限元模拟程序，研究钢板材激光钎焊过程中激光束偏移、夹紧条件和尾随冷却对预测畸变的影响

结果表明，工件上的横向和纵向约束都减少了表面变形

特别地，所研究的横向约束在失真缓解方面最为有效

JAFARI等[13]研究了板式换热器钎焊三种几何结构建模的模拟和实验数据之间的差异，发现第三种几何结构建模(带有钎焊接头的原始几何形状)模拟与实验数据的一致性最佳

结果表明，钎焊接头对模拟的准确性有较大的影响

雷震[14]通过实验仿真相结合的方法，系统研究了锡基钎料与铜母材超声辅助钎焊过程中固/液传质机理，计算了Cu/Sn固液界面的有效温度和压力，模拟了超声振动影响下的熔池流场分布

蒋文春等[15]利用ABAQUS有限元软件，对不锈钢板翅结构的钎焊残余应力进行模拟，对比分析了不同模拟方法下的结果差异

综上所述，国内外研究学者对于钎焊研究主要集中在不锈钢或铝合金等材料，对于钛合金材料的温度分布仿真与均匀性研究较少

对于真空钎焊过程而言，更合理的温度场分布与均匀性可以获得性能更优异、更致密的焊接接头[16-18]

因此，本文通过建立钛合金板翅结构温度场模型，分析钛合金板翅结构在真空钎焊过程中的温度场分布情况，并探究升温速率与加热带分布对钛合金板翅结构真空钎焊过程温度均匀性的影响规律

1实验1.1试验材料选用TA1作为板翅结构主体材料，其化学成分如表1所示

由于板翅结构具有明显的对称性、周期性，因此采用如图1(a)所示的80 mm×40 mm的板翅结构单元试验件，其中翅片几何尺寸如图1(b)所示，针对小尺寸的板翅结构单元试验件开展相关真空钎焊实验研究

本文采用Ti-Zr-Cu-Ni钎料，该种钎料属于高温钎料，可获得高温强度及耐腐蚀性良好的钎焊接头，其液相线温度为1100 K，化学成分如表2所示

表1钛合金化学成分Table 1Chemical composition of titanium alloy (mass fraction, %)TiFeCOHNBal.0.0230.0150.070.0010.005图1板翅式结构尺寸示意图



Fig. 1Schematic diagram of plate fin structure size表2Ti-Zr-Cu-Ni钎料化学成分Table 2Chemical composition of Ti-Zr-Cu-Ni brazing material (mass fraction, %)TiZrCuNiBal.37.515101.2试验设备与方法真空钎焊过程采用的设备为ZGS-120真空炉，通过压力设备对工件进行加持，并通过分布在真空炉炉壁四周的加热带对工件进行辐射加热，试验过程中环境的真空度小于8×10-3 Pa，以保证焊接的质量

同时，需对实验材料进行焊前预处理，保证隔板表面的平整度，并对翅片结构进行超声清洗

在表面清洗之后，采用无水乙醇进一步清洗材料表面并烘干，保证焊前的材料表面干燥洁净

钎焊的温度为1150 K，达到最高温度后保温时间(t)为20 min，保温结束后随炉冷却至室温

为了保持钎焊过程中炉内温度场以及工件温度场的均匀性，确保钎料能够充分地受热熔化铺展，并填充满钎缝间隙，钎焊过程并非直接加热，而是经过多次保温逐步加热至钎焊温度，所以本次试验中当温度升至550 K、750 K、1050 K时，均进行一段时间的保温，每次保温时间为30 min

2模型建立2.1热源模型由于在整个真空钎焊过程，焊件的温度会随着时间和空间的变化而发生改变，并且在这个过程中，材料的热物理性能也会随着温度发生非线性的变化

因此，真空钎焊过程中的传热问题属于典型的非线性瞬态热传导问题，并且在真空钎焊过程中不存在内热源，所以真空钎焊温度场非线性瞬态热传导控制方程如下[19-21]：(1) 式中：ρ为钎焊材料密度；c为比热容；λ为导热系数；T为温度；t为传热时间

其中，ρ、c、λ随温度变化而变化

在模拟过程中，加热带热源功率将折算为热耗率加载至几何模型上，即单位体积上的加热功率

2.2有限元模型的构建与网格划分为了减少计算时间，提高计算效率，依托于板翅结构的对称性，本文采用1/4的模型来作为计算模型，由于炉膛在真空钎焊过程中只起到加热作用，因此忽略炉膛的几何模型，将其简化为环绕四周的加热带，如图2所示

图2板翅结构真空钎焊有限元模型



Fig. 2Finite element model for vacuum brazing of plate-fin structure: (a) Computational domain; (b) Vacuum furnace heating tape对上述模型进行网格划分

网格数量是影响计算精度的重要因素之一，网格过粗，计算结果的准确性降低，但网格过细，会降低计算效率，甚至无法计算

因此，在进行网格划分时，需要对翅片件以及钎料层等重要计算区域的网格进行细化处理，而加热带可适当粗化减少网格数量

最终最大单元大小为0.2 mm，计算网格单元总数为13267，求解自由度数为34340，网格模型如图3所示

图3板翅结构网格模型



Fig. 3Mesh model of plate-fin structure: (a) Refinement of fin grid; (b) Mesh refinement of brazing layer; (c) Roughening of heating tape grid2.3材料热物性参数与边界条件的建立为保证计算结果的准确性，必须采用与所用材料属性相同的热物理性能参数，对于部分影响较小的参数采用常数，而针对钛合金和钎料的热导率及热容等，建立了其与温度的曲线关系并加载到模型中，部分热物性参数曲线如图4所示

图4热物性参数随温度变化曲线



Fig. 4Variation curves of thermal property parameters with temperature: (a) Heat capacity of titanium alloy; (b) Thermal conductivity of titanium alloy夹持工装会约束板翅结构的自由变形，对板翅结构的变形有着不可忽视的影响，但对工件的温度场影响不大，因此本文忽略夹持装置，不对板翅件结构施加约束

如图5所示，在真空钎焊过程中不存在工件与环境介质的对流换热，只需要考虑不同部件直接的热辐射以及工件间的热传导

另外加热带的外部区域以及对称面均设为绝热，以模拟炉膛的密封性和保温性

图5板翅式换热器真空钎焊传热机理



Fig. 5Vacuum brazing heat transfer mechanism of plate-fin heat transfer structure2.4温度场校核为验证所建模型的准确性，选取板翅结构峰值温度热循环曲线同试验预设的钎焊工艺的节点热循环曲线进行对比，模型验证结果如图6所示

二者的温度与变化趋势相似，由于保温阶段炉膛的加热余温仍会对板翅结构产生影响，与实际生产过程中相似，且仿真过程中炉内为绝对真空，但实际实验中无法做到绝对真空，工件仍可以通过热对流进行散热，因此，仿真温度一直高于预设实验的温度，保温阶段部分节点最大误差在15%左右，其余节点误差均在5%左右，满足仿真精度需求，因此，本文建立的温度场模型可获得较准确的温度场计算结果

图6钛合金板翅结构真空钎焊温度场模型验证结果



Fig. 6Model validation results of temperature field titanium alloy sheet fin structure vacuum brazing3仿真结果3.1加热带分布对板翅结构温度场均匀性影响本文设计了如图7所示的四种真空钎焊炉加热带布置方案，分别记为：方案一，方式为六面分布，六个面均为完整的平板式加热带；方案二，方式为四面分布，即撤去Y向的两个加热带热源；方案三，方式也为四面分布，但撤去X向的两个加热带热源；方案四，方式为间隔分布，即将面热源修改为存在间隔的带状热源

通过改变辐射热源的数量与分布位置改变工件受到的有效热辐射，并评估各热源对工件温度场的贡献程度，从而实现工件温度场均匀性的优化

图7不同加热带布置方案示意图



Fig. 7Schematic diagram of different heating tape arrangement不同加热带布置下的板翅结构表面温度场仿真结果如图8所示

由图8可知，改变加热带布置对工件表面的温度分布有着显著影响

分布一方案下工件温度主要集中在y轴两侧，工件最大温差为200 K，峰值温度在四种分布中最高为1250 K

分布二方案下，工件的温度略有降低，但温度分布没有发生较大变化，表明Y方向上的加热带对工件温度的贡献相对较小

在加热带分布三方案下，工件的X向温度均匀性得到了显著改善，但温度明显偏低，峰值温度仅有1150 K

在分布四方案下，工件的均匀性亦明显改善，温度峰值有所降低，这是由于工件受热主要来自较近的加热带，而距离工件较远的加热带作用于工件方向上的辐射热通量较小

图8不同加热带布置下的板翅结构温度分布



Fig. 8Temperature distribution of plate-fin structure under different heating tape arrangements图9所示为四种加热带分布方案下的最大温差曲线

由图9可知，四种分布方案下的最大温差演变趋势基本一致，加热前期温差变化不大，4000 s时最大温差逐渐增大，分布四方案下的最大温差相对最小

可见，工件受到热辐射的方向性越差，其温度均匀性将更好

图9不同加热带布置下的板翅结构温差曲线



Fig. 9Temperature difference curves of plate-fin structure under different heating band arrangements3.2升温速率对板翅结构温度场均匀性影响本节使用了图7中温度场均匀性更差的分布方案一作为加热带的分布方式，进而能够更直观地体现出不同升温速率对板翅结构温度场的影响

仿真前期，针对不同时长的保温时间进行了研究，在保持平均升温速率7.10 K/min不变的情况下，工艺一加热时三段保温时间均为10 min；工艺二为20 min；工艺三为30 min；工艺四设置为10 min、20 min、30 min三段不相同的保温时间

仿真结果显示当保温时间大于10 min时，增加保温时间对板翅结构均匀性影响不大，本节中采用20 min的保温时间兼顾计算效率与温度场均匀性

本文设计了如图10所示的4种真空钎焊工艺曲线，分别为：工艺一(1#)的平均升温速率7.1 K/min(对照组)；工艺二(2#)的平均升温速率10.6 K/min；工艺三(3#)的平均升温速率5.3 K/min；工艺四(4#)的升温速率4.05 K/min

其中，工艺一、二、三均为4次升温，分别记为S1~S4，并在加热阶段进行三次保温，在最终阶段保温一次，保温时间均为20 min，而工艺四不设置加热阶段保温，直接加热到1150 K后进行最终保温，最后随炉冷却

图10不同升温速率的板翅结构工艺温度曲线



Fig. 10Process temperature profiles of plate-fin structure with different heating rates图11所示为不同升温速率下的钛合金板翅结构真空钎焊温度场分布结果

由图11中可以看出，四种升温速率下，工件温度场呈对称式分布，峰值温度分布在沿y轴方向的外侧区域，越靠近y轴中心，温度越低，这是由于在板翅结构外侧，受辐射热源的直接热作用而升温，随着温度的升高，热累积作用不断加强，达到峰值温度所需的时间不断缩短

并且由于最低温度区域主要受热传导以及翅片结构内部的空腔辐射作用，这两种加热方式均需要一定的传导时间，加热过快将导致工件中部受热不充分

因此，随着升温速率的增加，板翅的最大温差逐渐增大，且低温阶段(S1~S2)时不同速率下温差相差不大，但在高温阶段(S3~S4)温差差距较为明显，结束最终保温时工艺二比工艺三的工件温差高约75 K

此外，对比工艺一和工艺四的温度场分布，工艺四的温度场表现出明显的不均匀性，工件中部出现了严重的温度滞后现象

因此，多次加热保温有利于改善温度滞后导致的温度不均匀，促进钎料的充分熔化

图11不同升温速率下的钛合金板翅结构真空钎焊温度场分布



Fig. 11Temperature field distribution of vacuum brazing of titanium alloy plate-fin structure at different heating rates3.3炉内温度场分布分析由于实际中的板翅结构尺寸较大，因此，炉膛内的温度场分布对于其真空钎焊过程也有较大影响

炉膛的测温方法为真空九点测温法，九个测温节点的选取如图12所示

采用热电偶测量图示节点的温度，各热电偶之间保持一定距离，避免受到来自其余热电偶辐射的影响

分析对比九个节点的温度数据，即可量化真空钎焊炉内的温度场均匀性

图12真空炉测温节点选取示意图



Fig. 12Vacuum furnace temperature measurement node selection diagram取各节点的热循环曲线以及最大温差曲线如图13所示

由于温度场的对称性，可以看到部分节点的温度是相近的，如(A、C、H)，(E、F)，(I、G)

其中，位于中间截面上的节点E、F、D温度明显高于其余节点，表明中间截面受到的热辐射最多

图13不同测量节点的热循环曲线



Fig. 13Thermal cycling curves at different measuring points此外，还可注意到点D的温度为九点中最高，点G的温度为九点中最低，最大温差即点D温度与点G温度之差(TD-TG)

由图14可知，最大温差在t=7800 s时达到最大值33 K，明显低于工件上的最大温差，这表明工件结构对温度均匀性的影响不可忽视

图14不同时刻炉膛内最大温差



Fig. 14Maximum temperature difference in furnace at different times4结论1) 建立了钛合金板翅式换热器真空钎焊过程温度场模型，模拟得到的温度曲线变化规律同试验节点热循环曲线相吻合，验证了模型的可靠性

2) 加热带的分布方式对温度场的均匀性影响较大，工件受到热辐射的方向性越差，其温度均匀性将更好

其中加热带间隔分布时，板翅结构的温度场均匀性最佳

3) 提高升温速率，板翅结构的温差增大，温度场均匀性变差，多次加热保温有利于改善温度滞后导致的温度不均匀

4) 炉膛内的中心区域温度最高，温度场沿中心呈对称分布，且炉膛内的温差小于工件的温差

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