鮮大中

（愛美達(dá)（上海）熱能系統(tǒng)有限公司，上海201611）

0 引 言

隨著電子行業(yè)的快速發(fā)展和進(jìn)步，集成度越來越高，對(duì)發(fā)熱元器件的散熱要求越來越苛刻。早期的風(fēng)冷產(chǎn)品已滿足不了要求，液冷散熱已逐漸成為散熱行業(yè)的主流趨勢(shì)。從散熱性能、產(chǎn)品質(zhì)量、制造成本等因素考慮，鋁材質(zhì)的液冷板是該行業(yè)的首選。鋁材質(zhì)的焊接工藝和加工變形量的控制也成為該行業(yè)的關(guān)鍵控制因素。本文主要結(jié)合實(shí)際的案例情況，從液冷板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、相應(yīng)的焊接工藝方法的選擇、熱處理工藝方法、加工工藝路線等方面，并結(jié)合有限元分析變形量的合理控制范圍，達(dá)到在滿足產(chǎn)品性能的前提下，又能有效控制產(chǎn)品的加工變形量，提升產(chǎn)品的合格率和競爭力。

1 影響加工變形的因素分析

影響零部件加工變形的因素有很多，包括零部件自身的結(jié)構(gòu)特征及加工生產(chǎn)條件等。經(jīng)研究分析發(fā)現(xiàn)，引起零部件加工變形的可能因素有：1）工件設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)特征是否合理、選用材料是否合適，以及相應(yīng)的焊接工藝是否正確，是控制產(chǎn)品變形量的決定性因素。2）熱處理工藝。熱處理工藝是否得當(dāng)，熱處理狀態(tài)是否滿足要求。3）夾具設(shè)計(jì)。包括裝夾位置、夾緊力大小、夾具剛度、定位精度等。4）加工工藝。包括切削用量、加工順序、走刀路徑等。5）加工機(jī)床。包括機(jī)床的控制精度、剛度等。6）刀具的選擇。包括刀具幾何參數(shù)、材料選擇、剛度、磨損情況等。7）其他因素。包括環(huán)境溫度，是否有振動(dòng)影響等。

本文著重從以下幾點(diǎn)進(jìn)行分析：工件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相應(yīng)焊接工藝選擇；熱處理工藝；夾具設(shè)計(jì)；加工工藝。并分析每一工藝產(chǎn)生變形的原因，提出改善對(duì)策，以有效控制每一步工藝的變形量。

2 液冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

2.1 常用液冷板結(jié)構(gòu)

液冷板是將冷卻液體引入帶腔體的冷板內(nèi)，通過冷卻液體在內(nèi)部腔體內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)，經(jīng)冷板材質(zhì)的熱傳導(dǎo)，從而冷卻與冷板接觸的熱源。所研究的產(chǎn)品內(nèi)部是帶空腔體結(jié)構(gòu)，對(duì)于熱源比較集中的區(qū)域，為提高散熱性能，腔體內(nèi)需增加提高性能的擾流翅片結(jié)構(gòu)。目的是通過增加翅片結(jié)構(gòu)，提高該區(qū)域的流通阻力，從而減小此區(qū)域的流速，提高流體與熱源的熱交換效率。常用的擾流結(jié)構(gòu)有鋁質(zhì)板翅片(如圖1)、加工柱體結(jié)構(gòu)(如圖2)、鏟翅片(如圖3)等。從前面的結(jié)構(gòu)介紹可知，液冷板在焊接前主要分三部分結(jié)構(gòu)：底板、內(nèi)部翅片結(jié)構(gòu)、蓋板。經(jīng)過各種焊接工藝焊接成一體，再將產(chǎn)品表面加工成所需結(jié)構(gòu)而形成最終的產(chǎn)品。

圖1 鋁翅片流道結(jié)構(gòu)

圖2 柱體流道結(jié)構(gòu)

2.2 熱源接觸面的平面度要求

圖3 鏟制翅片結(jié)構(gòu)

通常，熱源與液冷板之間需要填充導(dǎo)熱材料，以增加熱源與液冷板的接觸面積。從熱性能分析可知，導(dǎo)熱材料的熱阻系數(shù)一定的情況下，使用的材料越薄，熱阻越小，傳熱性能越好。這就要求該區(qū)域的平面度越小越好。因此，產(chǎn)品的平面度也成為液冷板的重要性能指標(biāo)之一。在本案例中，需要解決的是液冷板變形問題，要求液冷板在520 mm×465 mm區(qū)域內(nèi)平面度控制在0.5 mm的范圍內(nèi)。

2.3 從承壓能力分析結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

根據(jù)不同應(yīng)用條件，液冷板所需要承受的壓力也不一樣，本案例要求滿足不低于1 MPa的承壓要求。為降低整個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量，希望在滿足承壓前提條件下，將產(chǎn)品做得越薄越好。這就需要定義出產(chǎn)品的最小壁厚，通常結(jié)合內(nèi)部流道布置情況，找出承壓能力最弱的區(qū)域，即流道最寬的地方，可利用有限元分析軟件進(jìn)行強(qiáng)度分析，在滿足材料強(qiáng)度的前提下，可評(píng)估出產(chǎn)品的最小壁厚。以下是利用有限元強(qiáng)度分析評(píng)估出的相同流道不同結(jié)構(gòu)的變形量情況。

如圖4所示，在流道內(nèi)部無加強(qiáng)支撐結(jié)構(gòu)的情況下，在1 MPa的壓力作用下變形量約為2.1 mm。

圖4 流道無加強(qiáng)結(jié)構(gòu)變形量

如圖5所示，在相同流道寬度的情況下，內(nèi)部增加焊接支撐的結(jié)構(gòu)，在同樣的壓力作用下，變形量減小到0.275 mm。

圖5 流道有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)變形量

從分析可以看出，在空腔結(jié)構(gòu)中很難將壁厚做到很薄，為了滿足產(chǎn)品輕薄及承壓能力要求。這就需要將內(nèi)部翅片結(jié)構(gòu)與焊接工藝方法有效結(jié)合，采用合適的焊接工藝方法來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能要求。

2.4 焊接工藝選擇

鋁材質(zhì)常用的焊接工藝主要有：氬弧焊接、電阻焊接、激光焊接、真空釬焊焊接、攪拌摩擦焊接等。對(duì)于液冷板產(chǎn)品來講，焊接區(qū)域相對(duì)面積較大，而且對(duì)內(nèi)部焊接流道清潔度要求較高，主要用到真空釬焊與攪拌摩擦焊接。其他再根據(jù)不同的內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)采用不同的焊接工藝方法。

對(duì)于流道相對(duì)簡單、流道區(qū)域不太寬的液冷板(如圖6)，宜采用攪拌摩擦焊接，不但流道清潔度高、焊接設(shè)備簡單、對(duì)環(huán)境的要求相對(duì)較低，而且制造成本相對(duì)較低。但是，攪拌摩擦焊接也有它的局限性，焊接部位必須要有足夠的剛度，有足夠強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)來支撐焊接頭對(duì)工件的壓力。對(duì)于較大面積腔體結(jié)構(gòu)的液冷板來說，由于腔體區(qū)域中間翅片無法采用攪拌摩擦焊接，使得承壓能力受到限制。

圖6 攪拌摩擦焊接結(jié)構(gòu)示意圖

真空釬焊是鋁材焊接常用的另一種焊接方法。是用低于焊件熔點(diǎn)的釬料和焊件同時(shí)加熱到釬料熔化溫度后，利用液態(tài)釬料填充固態(tài)工件的間隙使焊件連接的焊接方法[1]。特別適用于大接觸面之間的薄板焊接，并可以利用流道內(nèi)部的翅片結(jié)構(gòu)，將底板與蓋板之間焊接成一體，從而加強(qiáng)了整個(gè)液冷板的剛度，增強(qiáng)液冷板抵抗變形的能力（如圖7）。因此，對(duì)于輕薄型、面積較大的液冷板，從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析來看，采用合理的焊接工藝有助于減小工件的變形量。本案例也是將最初的攪拌摩擦焊工藝改為真空釬焊工藝，利用內(nèi)部鋁翅片作為流道腔體的加強(qiáng)筋作用，提高了工件整體剛度，并為后續(xù)的機(jī)加工變形量控制提供基礎(chǔ)。

圖7 真空釬焊結(jié)構(gòu)示意圖

3 熱處理工藝

引起工件變形的主要原因是內(nèi)應(yīng)力的存在。有多種情況會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力：如工件材料存在初始應(yīng)力；在進(jìn)行材料焊接后存在殘余應(yīng)力；在機(jī)加工時(shí)刀具與材料之間因摩擦而產(chǎn)生熱應(yīng)力；因工裝夾具的約束而產(chǎn)生局部應(yīng)力等。均要求使用相應(yīng)的熱處理工藝進(jìn)行殘余應(yīng)力釋放，以避免因內(nèi)應(yīng)力的存在而導(dǎo)致精加工后的產(chǎn)品出現(xiàn)變形。表1中數(shù)據(jù)是采集未進(jìn)行退火和整形校正時(shí)測量出產(chǎn)品的平面度。

表1 未進(jìn)行熱處理的平面度

同時(shí)，針對(duì)液冷板主要使用6061鋁合金或6063鋁合金材料，在進(jìn)行真空釬焊后材料會(huì)軟化，抗拉強(qiáng)度會(huì)由原始狀態(tài)的330 MPa降低到135 MPa左右[2]。則必須進(jìn)行材料的熱處理強(qiáng)化工藝，即采取固溶和時(shí)效處理，使抗拉強(qiáng)度提升到280 MPa左右，以保證工件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[3]。

參考鋁合金的熱處理工藝與試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，確定真空釬焊的產(chǎn)品采用如下熱處理工藝路徑：材料焊接→固溶→立即進(jìn)行時(shí)效處理→產(chǎn)品整形校正→粗加工→退火處理→再次整形校正→精加工。使其材料在強(qiáng)度得到提高的同時(shí)，內(nèi)應(yīng)力也得到很好的釋放。對(duì)于采用攪拌摩擦焊接的產(chǎn)品，采取了多次退火處理工藝，熱處理工藝參考如下：材料焊接→退火處理→固溶→立即進(jìn)行時(shí)效處理→產(chǎn)品整形校正→粗加工→退火處理→再次整形校正→精加工。

主要的熱處理工藝參數(shù)如下：退火溫度設(shè)定為400～410 ℃，保溫15～30 min，隨爐冷卻至200 ℃左右后進(jìn)行空冷。以釋放前道工序產(chǎn)生的應(yīng)力[4]。固溶處理，設(shè)定溫度范圍在520～530 ℃，保溫6 h后采用水冷快速冷卻8～10 min。時(shí)效處理，設(shè)定溫度范圍在170～175 ℃，保溫8 h。

經(jīng)過以上熱處理工藝后，再次測量出產(chǎn)品的平面度數(shù)據(jù)如表2所示。

從以上測試數(shù)據(jù)可以看出，退火工藝是釋放內(nèi)應(yīng)力最有效的途徑之一。在熱處理的同時(shí)，其他整形校正工藝不可忽視，在減少變形量的工藝中起著重要作用。通過退火工藝與整形校正方法相結(jié)合，使產(chǎn)品的變形量得到有效控制。對(duì)于某些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，在精加工過后也可采用產(chǎn)品整形校正的工藝。需要利用較高手段的檢查方法和較高精度的校正工裝去控制實(shí)現(xiàn)。

4 夾具的設(shè)計(jì)

對(duì)于此類薄壁零件，主要采用銑削加工來達(dá)到去除材料的加工方式。其零部件主要受到銑刀徑向和軸向的作用力而產(chǎn)生應(yīng)力。由于其零件本身的剛度比較差，在進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮夾具的固定和裝夾位置，以及夾緊力對(duì)零部件的影響，選擇合理的裝夾方式以提升工件的剛度。對(duì)于安裝支撐面為大平面的產(chǎn)品，可以選用真空吸盤的方式進(jìn)行裝夾，其好處是裝夾面的所有區(qū)域都被固定，而且可以避免夾緊力對(duì)零部件的變形影響。使工件受所綜合作用力和力矩盡可能小，從而提高零件的整體剛度，減少零部件在切削加工過程中的振動(dòng)和變形。如果安裝基準(zhǔn)面也存在結(jié)構(gòu)特征，不能選用真空吸盤方式裝夾時(shí)，可選用剛度好的材料預(yù)先加工出與零部件特征相反的特征來支撐工件（如圖8）。使工件的支撐接觸面積增大。同時(shí)，夾緊裝置的接觸面盡可能大，并固定在工件剛度較大的地方，盡量采用雙對(duì)稱的固定方式，以免工件局部受力而產(chǎn)生應(yīng)力。從而有效控制和減小夾具裝夾對(duì)產(chǎn)品造成的變形。

圖8 支撐夾具

5 加工工藝

參考薄壁件加工變形的研究資料，變形的主要原因是其剛度差、切削余量大等引起加工過程中殘余應(yīng)力產(chǎn)生的[5]。選擇合理的加工走刀順序也是有效控制產(chǎn)品變形的關(guān)鍵性因素。常見的走刀順序如圖9所示。

圖9 走刀順序

A1是由外向內(nèi)的加工順序；A2是由內(nèi)向外的加工順序；A3是從左向右的加工順序；A4是從下向上的加工順序。通過對(duì)4種加工順序的研究和對(duì)加工結(jié)果的測試對(duì)比，采用A2所示的由內(nèi)向外螺旋加工方式后，加工變形量最小。是應(yīng)對(duì)薄壁件加工的有效加工順序。分析其原因，先從剛性較弱的中心區(qū)域開始加工時(shí)，周圍未加工區(qū)域的材料還可為中間區(qū)域提供一定的剛性支撐，而且走刀順序呈對(duì)稱性加工時(shí)，可以抵消加工過程中所產(chǎn)生的應(yīng)力，使其相對(duì)面產(chǎn)生的應(yīng)力平衡，從而使工件的內(nèi)部整體應(yīng)力處于穩(wěn)定的狀態(tài)，變形量相對(duì)較小。

6 結(jié)論

經(jīng)過對(duì)液冷板加工變形所有可能原因的分析和總結(jié)，并提出具體改善方案和措施，嚴(yán)格控制好每一道工序的要求，減小每道工序所產(chǎn)生的應(yīng)力。根據(jù)實(shí)際案例加工驗(yàn)證，變形量可以有效控制在合理范圍內(nèi)，為類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和加工提供參考依據(jù)。