楊懷德， 肖 寧， 賈世童， 唐小堂， 謝華清， 馬 良

株洲中車奇宏散熱技術(shù)有限公司，湖南 株洲 412100

0 引言

鋁合金水冷散熱器具有高效散熱、加工簡單、綠色安全等特性，廣泛應(yīng)用于軌道交通、風(fēng)電、船舶、重型機(jī)械等的散熱領(lǐng)域，而鋁合金錯(cuò)位翅片型水冷散熱器因翅片對(duì)液流的紊流效果顯著，換熱系數(shù)更高［1-2］，其在散熱領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)越來越廣。錯(cuò)位翅片屬于間斷型翅片，即沿流體流動(dòng)方向是間斷的且是錯(cuò)位排列的。目前，國內(nèi)外針對(duì)鋁合金水冷散熱器的焊接成形工藝已較為成熟，主要有真空釬焊、Nocolok 釬焊、攪拌摩擦焊等［3-4］，更多的研究是針對(duì)鋁合金釬焊缺陷、釬焊性能、新焊料開發(fā)或換熱器、機(jī)箱等具體結(jié)構(gòu)的釬焊工藝。例如，王振江等［5］對(duì)6063鋁合金真空釬焊的性能進(jìn)行了研究，于文華等［6］研究了鋁合金真空釬焊新焊料Al19Cu9Si對(duì)母材潤濕性及性能的影響，劉志杰等［7］研究了合金元素Cu、Si 對(duì)鋁基釬料的影響，梁寧等［8］對(duì)6063鋁合金真空釬焊氣淬組織及性能進(jìn)行了研究，焦坤等［9］對(duì)某類型機(jī)箱的真空釬焊工藝進(jìn)行了研究，李亞琴等［10］研究了某機(jī)車換熱器真空釬焊工藝，而對(duì)鋁合金錯(cuò)位翅片型水冷散熱器的真空釬焊工藝研究較少。該類型水冷散熱器因基板厚重以及放入的翅片高度高于基板釬焊面0.25～0.3 mm，易引起真空釬焊工藝不穩(wěn)定，常因焊合率低、漏水等原因而報(bào)廢，合格率僅為30%～40%，導(dǎo)致成本居高不下，給企業(yè)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

本文主要研究鋁合金錯(cuò)位翅片型水冷散熱器真空釬焊工藝，為批量生產(chǎn)提供技術(shù)借鑒。

1 試驗(yàn)材料及方法

錯(cuò)位翅片型水冷散熱器結(jié)構(gòu)如圖1 所示，每件散熱器有4 片翅片?；?、上蓋板、下蓋板、翅片材料均為3003鋁合金，其化學(xué)成分及固液相溫度見表1?；迮c下蓋板之間采用0.2 mm 厚的4104 釬料進(jìn)行連接，4104釬料化學(xué)成分及固液相線見表2，該釬料的釬焊溫度為595～615 ℃。為防止釬料堵塞翅片而導(dǎo)致流阻增大，翅片與基板之間、翅片與上蓋板之間采用0.8 mm 厚的4104/3003/4104 復(fù)合釬料板進(jìn)行連接，該復(fù)合釬料板的復(fù)合比為11%±2%。焊前基板、上蓋板、下蓋板平面度均需小于0.15 mm，翅片高度需要高于基板0.25～0.3 mm。焊前各件需要進(jìn)行清洗，清洗順序?yàn)槌暡ǔ汀獕A洗—酸洗—烘干，超聲波除油所用溶劑為金屬清洗劑，為弱堿性物質(zhì)，清洗完畢的產(chǎn)品進(jìn)行裝夾，每垛5層散熱器，共6垛，在不同的溫度曲線、裝夾力矩、工裝結(jié)構(gòu)情況下進(jìn)行真空釬焊。真空釬焊設(shè)備型號(hào)為VAB-200，真空度需要優(yōu)于1.0×10-3Pa，真空釬焊完畢按《QJ2844鋁及鋁合金硬釬焊技術(shù)條件》I級(jí)焊縫進(jìn)行水浸超聲檢測(cè)釬著率，水浸超聲檢測(cè)設(shè)備型號(hào)為UT-ARS100，超聲波檢測(cè)頻率為10 MHz，探頭直徑15mm，以及進(jìn)行1 MPa的氮?dú)鈿饷苄栽囼?yàn)檢測(cè)。

表2 4104釬料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）及固液相線溫度Table 2 Chemical composition （wt.%） and solid-liquid phase temperature of 4104 solder

圖1 錯(cuò)位翅片型水冷散熱器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of staggered finned water-cooled radiator

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 溫度曲線對(duì)釬著率的影響

某型號(hào)的鋁合金錯(cuò)位翅片水冷散熱器在油壓設(shè)備壓緊下，用夾具固定，然后送入真空釬焊爐進(jìn)行釬焊，在中間散熱器的進(jìn)出水口位置插入工件熱偶，溫度曲線如圖2所示，圖中①為爐膛熱偶升溫曲線，②為工件熱偶升溫曲線。設(shè)置爐膛溫度為575 ℃，爐膛升溫速率為15 ℃/min，待工件熱偶溫度T1為540 ℃時(shí)，將爐膛溫度設(shè)置由575 ℃下調(diào)到555 ℃，保溫時(shí)間t1為50 min；然后設(shè)置爐膛溫度為625 ℃，待工件熱偶溫度T2達(dá)到599 ℃，保溫時(shí)間t2為30 min 后停止加熱，待工件溫度低于450 ℃時(shí)出爐冷卻，進(jìn)行水浸超聲波檢測(cè)。真空釬焊時(shí)，鉻鎳合金加熱帶產(chǎn)生輻射熱，釬焊爐爐膛及散熱器外層接受輻射熱，散熱器通過熱傳導(dǎo)將表面接受的輻射熱傳遞至內(nèi)部。

圖2 鋁合金錯(cuò)位翅片型水冷散熱器真空釬焊溫度曲線Fig.2 Vacuum brazing temperature curve of aluminum alloy staggered fin type water-cooled radiator

水浸超聲檢測(cè)的圖片見圖3，翅片面的釬著率為43.6%，非翅片面的釬著率為87.2%。由圖可知，四周釬著情況良好，而中心位置釬著不良，缺陷貫穿至流道，若缺陷處有螺紋孔存在，則在氣密性試驗(yàn)時(shí)就會(huì)發(fā)生泄漏；另外，焊合率低，在1 MPa 的檢漏壓力下極易出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象。分析原因：工件熱偶溫度只能提供一個(gè)參考溫度，并不代表散熱器中心溫度，四周焊合情況良好而中心釬著不良的原因是溫度太低，或者在釬焊溫度下的保溫時(shí)間太短，中心位置因溫度未達(dá)到591 ℃釬料液相線僅局部融化，故中心位置焊合情況不及四周。

圖3 水浸超聲波檢測(cè)圖片F(xiàn)ig.3 Image of water immersion ultrasonic testing

針對(duì)圖3缺陷，在其他條件相同的情況下，僅增加釬焊溫度，將釬焊溫度由599 ℃增至600 ℃，溫度曲線為：工件熱偶溫度T1為540 ℃時(shí)，保溫時(shí)間t1為50 min；工件熱偶溫度T2達(dá)到600 ℃，保溫時(shí)間t2為30 min。該溫度曲線下真空釬焊產(chǎn)品的水浸超聲波檢測(cè)圖片如圖4 所示，翅片面的釬著率為86.1%，非翅片面的釬著率為89.3%。從圖中可以看出中心位置的焊合情況有較大的改善，尤其是翅片面的釬焊情況改善良好，缺陷面積明顯縮小，且缺陷未與流道貫穿；另外，圖4 中心位置還有較小缺陷，該缺陷的產(chǎn)生與圖3原因一致。

圖4 釬焊溫度調(diào)整后散熱器水浸超聲波檢測(cè)圖片F(xiàn)ig.4 Image of radiator immersion ultrasonic testing after adjusting brazing temperature

針對(duì)圖4缺陷，在上述其他條件相同情況下，僅增加釬焊保溫時(shí)間，保溫時(shí)間由30 min 增至60 min，溫度曲線為：工件熱偶溫度T1為540 ℃時(shí)，保溫時(shí)間t1為50 min；工件熱偶溫度T2達(dá)到600 ℃，保溫時(shí)間t2為60 min。該溫度曲線下真空釬焊產(chǎn)品的水浸超聲波檢測(cè)圖片如圖5 所示，翅片面的釬著率為95.2%，非翅片面的釬著率為94.3%。從圖片可以看出，翅片面與非翅片面的焊合情況均良好，兩釬焊面幾乎無缺陷。這也驗(yàn)證了圖3、圖4缺陷產(chǎn)生的原因是釬焊溫度較低或者釬焊保溫時(shí)間較短。

圖5 釬焊保溫時(shí)間調(diào)整后散熱器水浸超聲波檢測(cè)圖片F(xiàn)ig.5 Image of radiator immersion ultrasonic testing after adjusting the holding time

綜合圖3～圖5 可知，真空釬焊溫度偏低或釬焊保溫時(shí)間偏短時(shí)，隨著釬焊溫度的升高或者釬焊保溫時(shí)間的延長，真空釬焊質(zhì)量會(huì)隨之改善，制定溫度曲線規(guī)則在盡可能保證釬焊質(zhì)量的前提下，降低釬焊溫度或縮短保溫時(shí)間，以節(jié)約電能。

2.2 裝夾扭矩對(duì)釬著率的影響

研究溫度曲線對(duì)錯(cuò)位翅片型水冷散熱器釬著率的影響是在裝夾過程中是用油壓設(shè)備壓緊下進(jìn)行緊固的，油壓壓緊工序復(fù)雜且費(fèi)時(shí)，為使工序簡化以節(jié)約成本，計(jì)劃取消油壓壓緊，直接采用螺栓緊固，本節(jié)研究內(nèi)容是裝夾扭矩對(duì)散熱器的釬著率影響，為避免其他因素影響，本節(jié)研究內(nèi)容是在同一爐中進(jìn)行釬焊，該爐的溫度曲線為：工件熱偶溫度T1為540 ℃時(shí)，保溫時(shí)間t1為50 min，工件熱偶溫度T2達(dá)到600 ℃，保溫時(shí)間t2為60 min。圖6分別為螺栓緊固力矩40 N·m、80 N·m、100 N·m、120 N·m情況下真空釬焊的散熱器翅片面的水浸超聲波檢測(cè)照片，焊合率分別為57.3%、68.2%、92.1%、95.6%。在40 N·m裝夾扭矩下，散熱器中心焊合情況不良，且缺陷貫穿至流道上，若缺陷處有螺紋孔則會(huì)發(fā)生泄漏；在80 N·m裝夾扭矩下，焊合情況略優(yōu)于40 N·m裝夾扭矩，散熱器中間已釬透，缺陷未貫穿至流道；在100 N·m、120 N·m 裝夾扭矩下，散熱器焊合情況良好，幾乎無缺陷。隨著工裝裝夾力矩的增大，釬著率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

圖6 不同緊固力矩散熱器水浸超聲波檢測(cè)照片F(xiàn)ig.6 Image of radiator immersion ultrasonic testing with different tightening torques

2.3 工裝結(jié)構(gòu)對(duì)釬著率的影響

在采用2.2 節(jié)溫度曲線、裝夾力矩120 N·m 情況下釬焊，最上層散熱器在翅片面出現(xiàn)局部小缺陷的機(jī)率為40%～50%，如圖7 所示，焊合率為89.3%。該缺陷很有規(guī)律，共有4處，每處長度、寬度一致，與工裝形狀大致對(duì)應(yīng)，因?yàn)楣ぱb外形呈井字狀（見圖8），筋條壓緊處焊合良好，而非壓緊處的蓋板在釬焊溫度下發(fā)生熱脹而無法貼近基板，導(dǎo)致釬焊不良。針對(duì)上述分析，在井字狀工裝與散熱器之間墊放一板狀均力工裝，板狀均力工裝材質(zhì)可以是石墨板，也可以是不銹鋼板甚至純鋁板，厚度要求大于15 mm，該工裝可以將力矩均勻地分布在散熱器蓋板上。加墊此工裝進(jìn)行真空釬焊，將上層散熱器進(jìn)行水浸超聲波檢測(cè)，如圖9 所示，翅片面無缺陷，焊合率為97.6%。

圖8 真空釬焊用井字狀工裝示意Fig.8 Diagram of well shaped tooling for vacuum brazing

圖9 有均力工裝第一層散熱器水浸超聲波檢測(cè)圖片F(xiàn)ig.9 Image of ultrasonic testing for the first layer of radiator with uniform force tooling under water immersion

2.4 錯(cuò)位翅片型水冷散熱器真空釬焊工藝

針對(duì)此類錯(cuò)位翅片型水冷散熱器，真空釬焊工藝為：工件熱偶溫度T1為540 ℃時(shí)，保溫時(shí)間t1為50 min，工件熱偶溫度T2達(dá)到600 ℃，保溫時(shí)間t2為60 min，裝夾力矩120 N·m；在井字狀工裝與散熱器之間墊放一塊板狀均力工裝。按此工藝進(jìn)行真空釬焊，批量生產(chǎn)749 件，平均釬著率高達(dá)90%，檢漏合格率高達(dá)99.19%。應(yīng)當(dāng)關(guān)注的是，釬焊爐、材質(zhì)、裝爐量、裝夾工裝不同，溫度曲線應(yīng)適當(dāng)調(diào)整。

2.5 力學(xué)性能

釬焊前后分別進(jìn)行基板材料拉伸試驗(yàn)與硬度試驗(yàn)，力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表3。散熱器真空釬焊后，力學(xué)性能較母材而言有所下降，抗拉強(qiáng)度下降比例為27.2%，規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度下降比例為34.1%，延伸率下降比例為6.6%，硬度下降比例為32.2%，但是仍然高于國標(biāo)（GB/T3880.2）規(guī)定值。抗拉強(qiáng)度、規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度、硬度下降的主要原因是散熱器在真空釬焊過程中相當(dāng)于進(jìn)行了退火處理，原來的冷加工硬化效果消除，而延伸率微小降低的原因可能是在真空釬焊過程中母材長時(shí)間處于600 ℃，晶粒粗化而使塑性降低。

表3 3003材料釬焊前后力學(xué)性能對(duì)比Table 3 Comparison of mechanical properties of 3003 material before and after brazing

3 結(jié)論

（1） 溫度曲線、工裝裝夾力矩、工裝結(jié)構(gòu)對(duì)錯(cuò)位翅片型水冷散熱器的釬著率有顯著影響。

（2）隨著釬焊溫度和工裝裝夾力矩的增大，釬著率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；隨著保溫時(shí)間的適當(dāng)延長，釬著率也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

（3）在優(yōu)化焊接工裝、工裝夾緊力矩120 N·m、保溫溫度540 ℃、保溫時(shí)間50 min、焊接溫度600 ℃、保溫時(shí)間60 min條件下進(jìn)行真空釬焊，平均釬著率高達(dá)90%。

（4）材料經(jīng)過真空釬焊后，釬焊完畢的基板力學(xué)性能有所下降，抗拉強(qiáng)度下降比例為27.2%，規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度下降比例為34.1%，延伸率下降比例為6.6%；硬度下降比例為32.2%。