摘要： 真空釬焊和真空擴散焊是液冷產(chǎn)品常用的兩種焊接方式，焊縫通過超聲波無損檢測進行檢驗。真空釬焊的焊縫質量參考標準為QJ2844-I級，釬著率≥85%，行業(yè)標準為通用性要求，針對液冷產(chǎn)品沒有詳細的規(guī)定。真空擴散焊因應用較少，沒有可參考的行業(yè)標準，實際生產(chǎn)中按照釬焊標準執(zhí)行。基于以上情況，文中針對液冷產(chǎn)品開展失效機理分析及合格判定標準研究。研究表明真空釬焊產(chǎn)品當距離流道3 mm以內有缺陷，缺陷在經(jīng)歷周期性疲勞試驗后，缺陷會擴展；距離流道大于3 mm之外有缺陷，缺陷在經(jīng)歷周期性疲勞試驗后，不會擴展。真空擴散焊產(chǎn)品若冷板任何一處焊接面存在缺陷則證明該冷板整體焊接質量較差，在經(jīng)歷周期性疲勞試驗后，會出現(xiàn)新的缺陷。

關鍵詞： 釬焊；擴散焊；焊縫質量；無損檢測；缺陷擴展

中圖分類號： TG 455

Study on failure mechanism and qualification criteria of liquid cooling products

DU Junli， CAO Haijun， MA Li， YANG Baolin， WANG Weixiong

（Avic Jonhon Optronic Technology CO.，LTD.， Luoyang， 471003 Henan， China）

Abstract： Vacuum brazing and vacuum diffusion welding are two common welding methods for liquid cooling products， and the weld is tested by ultrasonic nondestructive testing. The weld quality reference standard for vacuum brazing is QJ2844-I， and the brazing rate is ≥ 85%. The industry standard is a general requirement， and there is no detailed regulation for liquid-cooled products. Due to the less application of vacuum diffusion welding， there is no industry standard to refer to， and the actual production is carried out according to the brazing standard. Based on the above situation， this paper studies the failure mechanism analysis and qualification criteria for liquid cooling products. The research shows that the vacuum brazing product has defects within 3mm from the flow channel， and the defects will expand after the periodic fatigue test. There are defects beyond 3mm from the flow channel， and the defects will not expand after periodic fatigue test. If there are defects in any welding surface of the cold plate of the vacuum diffusion welding product， it is proved that the overall welding quality of the cold plate is poor， and new defects will appear after the periodic fatigue test.

Key words： brazing; diffusion welding; weld quality; nondestructive testing; defect expansion

0 前言

液冷冷板主要用于電子元器件的散熱，通過冷卻介質在冷板流道內部的流動從而帶走電子元器件工作過程中產(chǎn)生的熱量。冷卻介質在通入冷板時會產(chǎn)生一定的壓力，壓力大小隨著通液流量的不同而產(chǎn)生變化。因此，冷板在通液時處于持續(xù)受力狀態(tài)。冷板焊縫在循環(huán)應力的作用下，在一處或幾處逐漸產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋直至完全開裂失效。

真空釬焊和真空擴散焊是液冷產(chǎn)品常用的2種焊接方式，真空釬焊焊接過程中添加釬料，真空擴散焊焊接過程中不添加任何釬料，對焊縫質量要求更高。結合缺欠（硬釬縫金屬與母材之間沒有結合或沒有充分結合的部位）是兩種焊接方式常見的焊接缺陷，缺陷通過超聲波無損檢測進行檢驗。超聲波無損檢測圖像中，完全充分結合圖像顯示白色，沒有結合顯示紅色，沒有充分結合顯示藍色或黃色。真空釬焊的焊縫質量參考標準為QJ2844-I級，釬著率≥85%，行業(yè)標準為通用性要求，針對液冷產(chǎn)品沒有詳細的規(guī)定。

液冷冷板焊接后進行超聲波無損檢測（焊縫質量符合QJ2844-I級，釬著率≥85%）和密封性檢測，均合格，產(chǎn)品使用一段時間后，焊縫處出現(xiàn)了漏液、滲液等現(xiàn)象，導致冷板喪失散熱功能。為制定真空釬焊和真空擴散焊液冷產(chǎn)品焊縫質量的合格判據(jù)，文中通過對不同缺陷程度的冷板進行疲勞試驗，為實際生產(chǎn)中制定焊縫質量判定依據(jù)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 失效原因

造成冷板失效的主要原因包括：（1）超壓。冷板內部壓力超過要求的安全壓力值時，會導致冷板失效；（2）冷板內部水未清干。當冷板內部流道的水未清理干凈且處于零攝氏度以下溫度時，焊縫附近的水結冰會導致焊縫開裂；（3）外力沖擊。當冷板受到強大的外力沖擊時，容易造成焊縫開裂，從而導致冷板失效；（4）疲勞開裂。在循環(huán)壓力的作用下，會對焊縫造成不可逆的疲勞損傷，長時間作用會導致焊縫開裂，從而使冷板失效。

當排除超壓、水未清干、外力沖擊等人為及外界因素后，造成冷板失效的主要原因是疲勞開裂。冷板耐疲勞損傷能力與焊接質量直接相關，若冷板整體焊接質量較好，則使用時間較長；若冷板整體焊接質量較差，則短時間內便會導致冷板失效。

失效冷板中，在開裂位置取出試樣進行分析，其焊縫形貌如圖1所示。從圖中完全開裂與未完全開裂焊縫形貌可以看出，冷板在使用過程中的失效符合焊縫疲勞開裂過程。

圖2所示的為擴散焊冷板漏液后，從焊縫開裂位置取出的試樣斷口形貌，從低倍形貌中可以看出，斷口局部位置存在疲勞開裂痕跡，圖2（a）中標記位置斷口形貌呈多層波浪狀，此斷口形貌符合疲勞開裂斷口形貌。圖2（b）為高倍下疲勞斷口的形貌，可明顯看出疲勞斷口的波浪狀形貌。

結合失效冷板的使用過程、開裂位置焊縫形貌以及斷口形貌分析，可以證明冷板失效原因為疲勞開裂。對于冷板的使用時間能否達到預計壽命，很大程度取決于焊接質量，整體焊接質量較差的冷板更容易產(chǎn)生疲勞開裂。

2 疲勞開裂機理

2.1 疲勞開裂形式

對于焊接類冷板，在交變載荷使用下容易造成疲勞損傷，隨著疲勞損傷的積累，裂紋容易在焊縫薄弱處萌生，在應力持續(xù)作用下，疲勞裂紋逐漸擴展，最終導致斷裂。根據(jù)受到載荷方向的不同，常見的疲勞裂紋可以分為如下3種類型，如圖3所示。

（1）I型裂紋，又稱張開型裂紋。焊接件受到與焊接面垂直的正應力σ，疲勞裂紋上下兩個表面發(fā)生垂直于裂紋面（即沿y方向）的位移，該位移使裂紋沿y方向張開。

（2）II型裂紋，又稱滑移型裂紋。焊接件受到與焊接面平行且與裂紋前沿線垂直的切應力τ，疲勞裂紋上下兩個表面發(fā)生垂直于裂紋前沿線（即沿x方向）的位移，該位移使裂紋沿x方向滑開。

（3）III型裂紋，又稱撕開型裂紋。焊接件受到與裂紋前沿線及焊接面均平行的切應力τ作用，疲勞裂紋上下兩個表面發(fā)生平行于裂紋前沿線（即沿z方向）的位移，該位移使裂紋沿z方向撕開。

焊接產(chǎn)品在實際工況下，通常為上述三種基本類型的裂紋組合而成，成為復合型裂紋。

2.2 疲勞裂紋擴展機理

微裂紋的形核通常發(fā)生在疲勞壽命早期，對于存在微小缺陷的焊接件，微裂紋的形核更容易發(fā)生。在載荷的作用下，形成的微裂紋最初與最大切應力方向一致，當載荷低于疲勞極限的循環(huán)應力時，微裂紋幾乎不會擴展，因此裂紋在這段時間內不會表現(xiàn)。當載荷高于疲勞極限的循環(huán)應力時，裂紋會立即發(fā)生擴展，在外加載荷作用下，微裂紋最初沿45°最大切應力方向擴展，這是疲勞微裂紋擴展的第一階段，隨著微裂紋擴展的不斷進行，少數(shù)幾條微裂紋會彼此相交逐漸匯聚成一條主裂紋，同時主裂紋由最初沿45°最大切應力方向擴展逐步轉變?yōu)檠刈畲笄袘Υ怪狈较驍U展，這是疲勞微裂紋擴展的第二階段。

與第一階段相比，第二階段疲勞裂紋擴展過程更易于觀察。Laird（1967）觀察了金屬材料在對稱循環(huán)載荷作用下的疲勞裂紋擴展過程，提出了描述疲勞裂紋擴展的塑性鈍化模型［2］，如圖4所示，圖中（a）（b）（c）（d）和（e）分別對應一個載荷周期內應力從零開始增大，直到達到最大拉應力，隨后下降回到零點，最后反向加載達到最大壓應力的過程。與此相應，開始時在外加載荷拉應力作用下裂紋尖端的形狀非常尖銳，如圖4（a）所示；隨著拉應力的不斷加大，裂紋尖端開始逐漸張開，受外加載荷影響，裂紋尖端處存在高度應力集中，導致裂紋尖端附近產(chǎn)生輕微塑性變形，促使裂紋尖端不斷向前擴展，如圖4（b）所示；隨著拉應力的不斷加大，裂紋尖端被拉開，疲勞裂紋擴展出新的表面，此時拉應力也達到最大值，如圖4（c）所示；隨著外加載荷的卸載，已經(jīng)張開的裂紋受到材料內部壓應力作用而趨于閉合，但是新開創(chuàng)的裂紋面卻不會消失，于是新開創(chuàng)的裂紋面在材料內部相互擠壓作用下發(fā)生失穩(wěn)，成為凹槽狀結構，如圖4（d）所示；此后外加載荷反向加載，裂紋尖端開始受到壓應力的作用而逐漸向前擴展，當壓應力達到最大值時，裂紋尖端被壓縮成為尖銳的形狀，此時裂紋長度較之前相比已經(jīng)產(chǎn)生一個增量，如圖4（e）所示。此后外加載荷反向加載，裂紋尖端重新受到拉應力的作用，開始進入新一輪張開、鈍化、擴展、銳化的反復過程。

2.3 冷板焊縫疲勞開裂過程

冷板在正常使用狀態(tài)下，內部壓力交替變化，內部壓力作用在冷板上便會形成交變載荷，在冷板不斷承受交變載荷時容易造成疲勞損傷，隨著疲勞損傷的積累，冷板薄弱處便會萌生裂紋甚至開裂，冷板的薄弱處往往是在焊縫位置，焊接質量較差的情況下，焊縫強度低于母材，因此在焊縫位置易萌生裂紋，這便是冷板最常見的失效模式［3］。

冷板發(fā)生疲勞破壞需要經(jīng)歷的三個階段，其中這三個階段構成材料的疲勞總壽命。金屬材料疲勞斷裂過程如圖5所示。

（1）疲勞裂紋擴展第一階段：又稱疲勞裂紋萌生階段。疲勞裂紋通常起源于駐留滑移帶中不可見的微裂紋，在外加載荷作用下，形成的微裂紋最初與最大切應力方向一致。疲勞裂紋萌生后，在該區(qū)域內，隨著應力強度因子范圍ΔK的降低，疲勞裂紋擴展速率迅速下降，到某一值ΔKth時，疲勞裂紋擴展速率趨近于零。由此我們可以認定當ΔK<ΔKth時，疲勞裂紋不會發(fā)生擴展，當ΔK>ΔKth 時，疲勞裂紋將會發(fā)生擴展。ΔKth是反應疲勞裂紋是否發(fā)生擴展的一個物理量，稱為應力強度因子范圍門檻值。

（2）疲勞裂紋擴展第二階段：又稱疲勞裂紋穩(wěn)定擴展階段。在外加載荷作用下，應力強度因子范圍ΔK 從應力強度因子范圍門檻值ΔKth附近開始逐漸增加，同時疲勞裂紋在循環(huán)應力作用下開始向前擴展，此階段是疲勞裂紋擴展的中速率階段，通常情況下疲勞裂紋擴展速率在10-9～10-5 m/cycle 范圍內。大量試驗研究表明，在疲勞裂紋穩(wěn)定擴展階段內，da/dn 與ΔK 之間有良好的對數(shù)線性關系，因此我們可以利用這一關系進行疲勞裂紋擴展的壽命預測。da/dn與ΔK之間的對數(shù)線性關系可以表達如式（1）所示

da/dm=C（ΔK）m

（1）

上述公式（1）就是著名的描述疲勞裂紋擴展速率曲線的Paris公式。C、m是描述材料疲勞裂紋擴展性能的基本參數(shù)，由試驗確定，m常被稱為Paris指數(shù)。

（3）疲勞裂紋擴展第三階段：又稱疲勞裂紋失穩(wěn)擴展階段，在外加載荷作用下，疲勞裂紋擴展十分迅速。隨著疲勞裂紋擴展速率迅速上升，金屬材料中裂紋尺寸也逐漸增大，當ΔK達到KIC時，材料將會發(fā)生韌性撕裂或脆性斷裂。對于韌性較好的金屬材料，斷裂前會發(fā)生明顯的塑性變形，對于脆性較好的金屬材料，則不會發(fā)生明顯的塑性變形而直接斷裂［4-6］。

3 試驗方法

液冷產(chǎn)品在使用過程中，冷卻介質通過管路及連接器進入冷板內，在介質通入冷板時，冷板內部的壓力會產(chǎn)生變化，伴隨瞬時產(chǎn)生的這種變化通常具有破壞性，對冷板內部造成壓力沖擊，壓力脈沖試驗則是模擬了冷板在使用過程中的壓力、沖擊頻率等因素，盡可能的營造實際工作環(huán)境并超負荷運行。

因此，壓力脈沖試驗可模擬用戶使用時冷板的狀態(tài)以及疲勞開裂的過程。其試驗條件則是參考用戶使用過程中所產(chǎn)生的工作壓力、沖擊頻率等參數(shù)。表1為壓力脈沖試驗具體條件。保壓測試脈沖波形如圖6所示。

1號、2號、4號、5號試驗波形為1.5 s內由0 MPa上升到3.5 MPa，在3.5 MPa壓力下保持2 s，0.5 s內由3.5 MPa下降到0 MPa。3號壓力脈沖試驗采用圖6中的波形，1.5 s內由0 MPa上升到1.5 MPa，在1.5 MPa壓力下保持2 s，0.5 s內由1.5 MPa下降到0 MPa，以此脈沖形式循環(huán)10 000或20 000次。流程如圖7所示。

4 試驗結果及分析

圖8～圖13為真空擴散焊產(chǎn)品的試驗結果，1～3號冷板的焊接方式如圖8～圖10所示。1號冷板為無缺陷的擴散焊冷板，經(jīng)過10 000次、20 000次、30 000次、40 000次、50 000次壓力脈沖循環(huán)后如圖11所示，沒有新增缺陷。起初有缺陷的擴散焊產(chǎn)品，2號冷板如圖12（a）所示，紅色圈內為原始缺陷、黃色圈內初始無缺陷，壓力脈沖到一定

次數(shù)后黃色圈內開始有新增缺陷。3號冷板如圖13（a）所示，紅色圈內為原始缺陷、黑色圈內初始無缺陷，壓力脈沖到一定次數(shù)后黑色圈內開始有新增缺陷。

壓力脈沖循環(huán)實驗過程中，冷板內部壓力交替變化，內部壓力作用在冷板上形成交變載荷，冷板不斷承受交變載荷，最終導致疲勞損傷。起初有缺陷的擴散焊產(chǎn)品，說明冷板焊縫質量較差，有不可見的微小缺陷，在交變載荷的作用下容易造成疲勞損傷，隨著疲勞損傷的積累，冷板薄弱處便會萌生裂紋形成缺陷。

圖14～圖19為真空釬焊產(chǎn)品的試驗結果，圖14和圖17為4號冷板和5號冷板的焊接方式。圖15為4號冷板試驗前的缺陷狀態(tài)，圖18為5號冷板試驗前的缺陷狀態(tài)。壓力脈沖測試過程中距離流道最近距離d≤3 mm的缺陷隨著脈沖次數(shù)的累積逐漸擴大，距離流道最近距離d≥3 mm的缺陷未發(fā)生變化。

在流道內部通液進行壓力脈沖試驗時，缺陷受力，隨著疲勞損傷的積累，冷板薄弱處便會萌生裂紋甚至開裂，距離流道較近的缺陷（距離d≤3 mm），焊縫質量差，焊縫強度低，是冷板薄弱的地方，在冷板進行壓力脈沖試驗時，內部壓力交替變化，內部壓力作用在冷板上便會形成交變載荷，在冷板不斷承受交變載荷時，缺陷擴展。而距離流道較遠的缺陷（距離d≥3 mm），流道附近的焊縫質量較好，薄弱處距離流道較遠，在循環(huán)壓力下，流道與缺陷之間有質量好的焊縫相隔，未受到損傷，故距離流道最近距離d≥3 mm的缺陷未發(fā)生變化。

壓力脈沖試驗為周期性疲勞試驗，該試驗可將微小缺陷放大直至產(chǎn)品失效，此類疲勞性試驗對于產(chǎn)品的破壞性小，需要較多次數(shù)的累積才能達到產(chǎn)品失效的程度，但對于內部存在微小缺陷的產(chǎn)品，可通過提高試驗壓力的方式，加速將缺陷進行放大，而且不影響內部完好產(chǎn)品的正常使用壽命。

通過壓力脈沖試驗證明，對于真空釬焊冷板，距離流道最近距離大于3 mm的缺陷在正常使用周期內不會產(chǎn)生變化，且不與流道連通；距離流道最近距離d≤3 mm的缺陷隨著脈沖次數(shù)的累積缺陷逐漸擴展。對于真空擴散冷板，焊合率為100%的冷板可滿足正常的使用；若冷板任何一處焊接面存在缺陷則證明該冷板整體焊接質量較差，壓力脈沖到一定次數(shù)后開始有新增缺陷。

5 結論

（1）對于真空釬焊產(chǎn)品，允許焊接面存在距離流道3 mm以上的結合缺欠，且焊合率大于85%。

（2）對于真空擴散焊產(chǎn)品，焊接面不允許出現(xiàn)任何結合缺欠，焊合率要求100%。

參考文獻

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收稿日期： 2024-08-20

杜俊莉簡介： 碩士，主要從事鋁合金特種焊接工藝研究和技術攻關工作。