汽車散熱器疲勞試驗方法研究及失效分析

姜洋，李妮妮,張國鋒

(1.廣州機械科學(xué)研究院有限公司，廣東廣州 510700;2.中國汽車零部件工業(yè)公司,北京 100083)

汽車散熱器疲勞試驗方法研究及失效分析

姜洋1，李妮妮1,張國鋒2

(1.廣州機械科學(xué)研究院有限公司，廣東廣州 510700;2.中國汽車零部件工業(yè)公司,北京 100083)

依據(jù)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和大型車廠企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對散熱器疲勞試驗進(jìn)行分類，并闡述每一類的疲勞試驗方法，通過對試驗條件的分解，結(jié)合散熱器材料和結(jié)構(gòu)情況，分析散熱器在各種疲勞試驗中的失效模式。

汽車散熱器；疲勞試驗；失效分析

0 引言

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)主要作用是為發(fā)動機及相關(guān)功能部件提供一個合適的運行溫度，以保證發(fā)動機及其部件的正常運轉(zhuǎn)，是汽車一個非常重要的子系統(tǒng)[1]。散熱器是汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中最重要的部件之一，它對內(nèi)燃機的動力性、經(jīng)濟性、可靠性有重大影響，汽車和發(fā)動機的高度緊湊化設(shè)計與汽車輕量化設(shè)計對散熱器的體積和質(zhì)量提出嚴(yán)格限制，這不僅要求汽車散熱器結(jié)構(gòu)有更好的散熱性能，對散熱器的結(jié)構(gòu)強度、結(jié)構(gòu)壽命也提出更高的要求。因此，在研制出汽車散熱器樣件以后，必須對散熱器進(jìn)行疲勞耐久性能測試，以檢測散熱器的質(zhì)量[2]。

1 汽車散熱器試驗標(biāo)準(zhǔn)及疲勞試驗分類

汽車散熱器常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)為中國工信部發(fā)布的汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 468-2010《汽車散熱器》。而大型車廠往往采用企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如通用汽車標(biāo)準(zhǔn)GMW 14193-2013《散熱器產(chǎn)品測試規(guī)范》、福特標(biāo)準(zhǔn)ESF2G3-8005-AC和北汽福田標(biāo)準(zhǔn)Q/FT E003-2011《汽車散熱器總成技術(shù)條件》等。還有部分散熱器生產(chǎn)廠家為了出口國外，需要采用出口國標(biāo)準(zhǔn)，如沙特標(biāo)準(zhǔn)GSO 135/2007《汽車發(fā)動機散熱器試驗方法》。汽車散熱器的試驗標(biāo)準(zhǔn)非常多，但是試驗類型大體相似，疲勞試驗大體可分為以下4類：環(huán)境疲勞、機械疲勞(振動疲勞)、交變壓力疲勞、復(fù)合疲勞。

1.1 環(huán)境疲勞

汽車散熱器在工作時經(jīng)常處于高低溫交變的情況，環(huán)境疲勞就是指人工模擬散熱器各種工作狀態(tài)下的環(huán)境條件，以檢查散熱器的抗環(huán)境干擾能力。環(huán)境疲勞包括耐高溫、耐低溫、耐溫度循環(huán)和耐腐蝕等試驗。

1.1.1 耐溫疲勞試驗方法

一般來說，耐溫度的疲勞試驗高溫達(dá)到130 ℃，低溫達(dá)到-40 ℃，且在試驗過程中內(nèi)部需要通入介質(zhì)，保持一定壓力。QC/T 468-2010《汽車散熱器》中耐高溫試驗，介質(zhì)為水和乙二醇，體積比分別為50%、50%，壓力為130 kPa。大部分車企標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)也采用同樣比例的水和乙二醇，只有通用公司設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)比例為30%、70%，且指定了冷卻液的牌號。

1.1.2 耐溫疲勞試驗失效分析

耐溫疲勞失效模式主要表現(xiàn)為滲漏，滲漏主要由結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力引起。散熱器在溫度變化時，散熱器的水室和散熱芯體由于材料不一樣，其熱膨脹系數(shù)不一樣，因此可能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力較大時，則內(nèi)嚙合間隙變大，最終使得散熱器產(chǎn)生滲漏。圖1是一款散熱器經(jīng)過130 ℃高溫1 500 h后進(jìn)行氣密性檢測的情況，可以看到水室與芯體處出現(xiàn)了明顯的泄漏。

圖1 氣密性試驗情況

1.1.3 耐腐蝕試驗方法

汽車散熱器位于汽車的前部，經(jīng)受著非?？量痰牡缆翻h(huán)境和氣候環(huán)境，包括雨水、路面揮發(fā)的鹽分、汽車排出的廢氣、砂粒、灰塵和泥漿等外來物的污染，其工作條件和使用環(huán)境非常惡劣，極易發(fā)生腐蝕。

耐腐蝕試驗是指鹽霧試驗，將一定濃度的鹽水霧化，然后噴在一個密閉的恒溫箱中，通過觀察試樣試驗前后的變化來評價其耐抗腐蝕性。氯化鈉是一種強電解質(zhì)，在水中會完全電離出氯離子和鈉離子，氯離子具有強烈的穿透能力，能穿透金屬表面的氧化層和防護(hù)層與內(nèi)部的金屬發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，引起腐蝕。

耐腐蝕試驗主要分為：中性鹽霧(Neutral Salt Spray Test，NSS)、酸性鹽霧(Acetic Acid Salt Spray Test，ASS)、銅加速乙酸鹽霧試驗(Copper Accelerated Salt Spray Test，CASS)、合成海水酸化鹽霧試驗(Acidified Synthetic Sea Water(Fog)Testing,SWAAT) 、交變鹽霧試驗(Cyclic Corrosion Test，CCT)。

耐腐蝕試驗中影響結(jié)果的主要因素有以下4個：(1)試驗箱溫度。決定了試樣表面液膜中離子運動的劇烈程度。(2)鹽溶液濃度。5%的NaCl溶液中的含氧量相對飽和，會促進(jìn)腐蝕反應(yīng)過程的進(jìn)行。(3)pH值。pH值太低，鹽溶液中H+濃度高，腐蝕速度會增加；pH值太高，鹽溶液中OH-濃度高，腐蝕速度會降低。(4)試樣的放置角度。當(dāng)傾斜角度越大時，試樣在水平方向上的投影也就越大，因此試樣表面接收到的鹽霧沉降也就越多，試驗表面的腐蝕程度也會相應(yīng)增大。

1.1.4 耐腐蝕試驗失效分析

組成鋁散熱器的鋁合金材料一般都是Al-Mn系和Al-Si系合金組成的復(fù)合料，腐蝕的形貌是典型的點腐蝕和晶間腐蝕。耐腐蝕試驗的主要作用物為氯離子，它的存在會導(dǎo)致點蝕的產(chǎn)生。因此耐腐蝕試驗是一種人工創(chuàng)造氯離子環(huán)境，加速散熱器點腐蝕的疲勞試驗，其失效模式則為點腐蝕。點腐蝕又稱為孔腐蝕，氯離子通過破壞氧化膜孔洞進(jìn)入鋁合金表面，使極化反應(yīng)更容易達(dá)到點蝕電位[3]。圖2(a)、2(b)是兩款散熱器經(jīng)過720 h中性鹽霧試驗后的情況。圖2(a)中這款散熱器圓圈部位均產(chǎn)生了紅銹，表明其鍍鋅層被腐蝕，但在后續(xù)的氣密性檢測中未見泄漏，證明其基材未被腐蝕。而圖2(b)中這款散熱器雖然從外觀上未見任何紅銹或白銹，但在氣密性檢測中卻發(fā)現(xiàn)圓圈部位有微小的泄漏，這種泄漏比上述耐溫試驗中的失效泄漏要小得多，可能在加工過程中有孔隙，在孔隙位置產(chǎn)生點腐蝕，導(dǎo)致泄漏，一般點腐蝕產(chǎn)生的泄漏較小。

圖2 兩款散熱器經(jīng)過720 h中性鹽霧試驗后的情況

1.2 機械疲勞

文中的機械疲勞主要指振動疲勞，對于扭振疲勞，目前各標(biāo)準(zhǔn)中分歧較大，在此不做分析。

1.2.1 振動疲勞試驗方法

汽車散熱器屬于發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的一部分，安裝位置在發(fā)動機附近，因此在汽車行駛時，散熱器處于顛簸振動狀態(tài)，散熱器的使用過程中經(jīng)常會遇到因為結(jié)構(gòu)振動而產(chǎn)生振動疲勞破壞現(xiàn)象，在一定程度上影響了散熱器的可靠性，因此散熱器必須進(jìn)行振動疲勞試驗。

耐振動試驗一般分為兩部分：共振點搜索和定頻耐久。散熱器耐振動試驗首先需要檢測散熱器的共振頻率，確定其共振頻率是否跟汽車的共振頻率一致。車身結(jié)構(gòu)振動，不僅引起自身結(jié)構(gòu)的疲勞損壞，更是車內(nèi)低頻結(jié)構(gòu)輻射噪聲源。其頻率主要分布在20～80 Hz的頻帶內(nèi)。對于發(fā)動機來說，它本身也是一個噪聲源，四缸發(fā)動機共振頻率為20～25 Hz，6缸發(fā)動機共振頻率為30～35 Hz。目前大部分的汽車標(biāo)準(zhǔn)將33.3 Hz作為發(fā)動機的試驗用共振頻率。因此一般檢測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在5～100 Hz范圍內(nèi)搜索散熱器的共振頻率。如果在該范圍內(nèi)沒有搜索到共振點，則采用33.3 Hz作為振動頻率進(jìn)行定頻振動疲勞試驗；如果在該范圍內(nèi)搜索到共振點，則以共振點為振動頻率進(jìn)行定頻振動疲勞試驗。為了更準(zhǔn)確地模擬散熱器工作情況，在振動疲勞試驗過程中，散熱器內(nèi)部還會充滿冷卻液，以便在試驗過程中檢查散熱器是否有泄漏。

1.2.2 振動疲勞試驗失效分析

散熱器在進(jìn)行試驗時內(nèi)部充注了冷卻液，有一定的預(yù)應(yīng)力，在試驗過程中，進(jìn)、出水口處最容易產(chǎn)生泄漏，如圖3(a)所示。另外散熱器用于固定的結(jié)構(gòu)件在振動過程中承受著最大的應(yīng)力，是最容易損壞的結(jié)構(gòu)件，如圖3(b)所示，此時需要考慮增加結(jié)構(gòu)件的強度，或者減輕散熱器的質(zhì)量，或者改變散熱器的結(jié)構(gòu)。

圖3 出水管局部情況

1.3 交變壓力疲勞

1.3.1 交變壓力疲勞試驗方法

交變壓力疲勞是為了模擬實際工況，測試散熱器的壓力壽命，檢測焊接焊縫、拉伸材質(zhì)強度等設(shè)計工藝的一種試驗。散熱器的使用壓力較低，因此交變壓力疲勞試驗的高壓也比較低，一般為120～200 kPa，頻率一般為0.5 Hz，壓力波形為梯形波，試驗介質(zhì)為高溫的水、乙二醇混合物。圖4(a)是QC/T 468中的試驗波形，這是一種比較典型的散熱器交變壓力疲勞試驗波形。部分車企標(biāo)準(zhǔn)比汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)酷，如圖4(b)所示，大大提高試驗壓力，達(dá)到280 kPa。

圖4 疲勞試驗波形

1.3.2 交變壓力疲勞試驗失效分析

正常工況下，汽車散熱器內(nèi)部冷卻液的壓力不超過100 kPa(散熱器蓋的開啟壓力一般為100～120 kPa)。而交變壓力疲勞試驗的高壓均超過100 kPa，散熱器主片材料產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)壓力下降后彈性應(yīng)變消失，但是在這種循環(huán)應(yīng)力的作用下，會在材料的一處或幾處逐漸產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)過一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或者突然發(fā)生完全斷裂的過程，這個失效屬于金屬的疲勞破壞。而某些標(biāo)準(zhǔn)其壓力峰值達(dá)到280 kPa，主片部分區(qū)域的應(yīng)力可能超過材料的屈服強度，部分區(qū)域發(fā)生屈服，當(dāng)壓力下降后彈性應(yīng)變消失，塑性變形還存在，再次加載時屈服應(yīng)力提高，這稱為加工硬化。加工硬化又稱冷作硬化。產(chǎn)生原因是：金屬在塑性變形時，晶粒發(fā)生滑移，出現(xiàn)位錯的纏結(jié)，使晶粒拉長、破碎和纖維化，金屬內(nèi)部產(chǎn)生了殘余應(yīng)力等。因此當(dāng)壓力峰值較高時，主片可能大部分區(qū)域處于彈性變形，而小部分區(qū)域出現(xiàn)硬化情況，不能單獨以純彈性體分析?？傮w來說，散熱器交變壓力疲勞試驗的失效大體在主片位置，多為疲勞破壞。如圖5(b)中散熱器按圖5(a)中的壓力波形進(jìn)行試驗，試驗過程中主片塑形變形量逐漸增大，主片多處泄漏。

圖5 壓力試驗波形及主片變形情況

1.4 復(fù)合疲勞

復(fù)合疲勞試驗是上述試驗的綜合，如PV試驗(壓力-振動試驗)、三綜合振動試驗(溫濕度-振動試驗)和PVT(壓力-振動-溫濕度試驗)等。其失效模式則需要從材料、結(jié)構(gòu)和加工工藝多方面考慮。

2 總結(jié)

將散熱器疲勞試驗分為4個大類：環(huán)境疲勞、機械疲勞(振動疲勞)、交變壓力疲勞、復(fù)合疲勞，介紹了環(huán)境疲勞、機械疲勞和交變壓力疲勞的試驗方法，并從散熱器材料和結(jié)構(gòu)方面，結(jié)合試驗條件分析了散熱器的失效模式。

【1】周偉.汽車散熱器試驗研究及性能分析[D].重慶:重慶大學(xué),2013.

【2】盛敏.汽車散熱器疲勞性能研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2013.

【3】凌亞標(biāo),孫興隆.提高汽車鋁散熱器耐腐蝕性的途徑[J].汽車零部件,2014(12):12-13. LING Y B,SUN X L.Way Improving Corrosion Resistance of Automotive Aluminum Radiator[J].Automobile Parts,2014(12):12-13.

【4】程利輝,張曉勇.HNSAE13222汽車散熱器常見滲漏現(xiàn)象及對策[C]//第十屆河南省汽車工程科學(xué)技術(shù)研討會論文集,2013:372-373.

【5】熊建強.汽車振動與噪聲的穩(wěn)健性研究[D].南昌:南昌大學(xué),2015.

【6】李志強.基于汽車振動特殊環(huán)境下汽車電子裝置相關(guān)振動試驗分析[J].消費電子,2014(12):73.

【7】QC/T 468-2010汽車散熱器[S].

Fatigue Test Method and Failure Analysis of Automobile Radiator

JIANG Yang1, LI Nini1，ZHANG Guofeng2

(1.Guangzhou Mechanical Engineering Research Institute Co., Ltd.,Guangzhou Guangdong 510700,China； 2.China Auto Parts & Accessories Corp,Beijing 100083,China)

According to the automobile industry standard and famous car factory enterprise standard, the fatigue tests of radiators were classified. Each kind of fatigue test was introduced. Based on the material and structure of the radiator, the failure modes of the radiator in various fatigue tests were analyzed by decomposing the test conditions.

Automobile radiator; Fatigue test; Failure analysis

2017-05-27

姜洋(1985—)，男，本科，助理工程師，主要研究方向汽車零部件檢測技術(shù)及檢測設(shè)備。E-mail：jiangyang851126@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.06.018

U467

A

1674-1986(2017)06-065-04