淺談釬焊式汽車散熱器抵抗溫度交變性能的提升研究

利聲林

法雷奧發(fā)動機冷卻（佛山）有限公司 廣東省佛山市 528137

1 引言

伴隨著越來越多起市場保修期內(nèi)發(fā)生的散熱器泄露，失效模式發(fā)生在B型管與主板焊縫處，主機廠越來越重視對釬焊散熱器的可靠性研究。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)大部分的焊縫泄露大都由于材料疲勞而引起。所以大部分歐美系主機廠在不斷加嚴(yán)釬焊散熱器溫度交變標(biāo)準(zhǔn)。比如福特散熱器要求從高溫120度到低溫負(fù)20度轉(zhuǎn)換過程中，5秒內(nèi)溫度降低75度，要求一致性達(dá)到1000循環(huán)以上。大眾高溫散熱器要求總循環(huán)數(shù)達(dá)到8000循環(huán)，低溫散熱器要求總循環(huán)數(shù)達(dá)到10000循環(huán)。而國內(nèi)自主品牌的主機廠也緊跟國際品牌腳步，對這塊要求也日益嚴(yán)格。所以越來越嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求散熱器生產(chǎn)廠家必須審視自家材料的使用及工藝設(shè)計。而對于零部件廠家而言，一味增加材料厚度應(yīng)對已經(jīng)不適應(yīng)汽車輕量化設(shè)計的思路。在本研究中，筆者通過對溫度交變引起失效的根本原因進(jìn)行分析，另辟蹊徑，為企業(yè)產(chǎn)品技術(shù)升級指明方向。

2 什么是溫度交變失效？

散熱器在溫度交變過程中發(fā)生冷卻液泄露，泄露部位多放生在芯子的前3根管或者倒數(shù)3根管兩側(cè)圓角處，在金相的狀態(tài)下可以看得到裂紋發(fā)生在主板與管子釬焊焊縫邊緣處。

3 為什么會導(dǎo)致溫度交變失效

如下圖所示，溫度交變實驗的原理是，將兩個裝有50：50冷凍液與水比例的罐子和散熱器相連接，一個罐子為高溫溶液，另一個為低溫溶液，按照客戶的溫度曲線進(jìn)行設(shè)置。

所以正常實驗的散熱器在紅外線攝像機的拍攝照片如下：

可以看到，散熱器內(nèi)壁后存在兩種不同溫度的冷凍液，因為在溫度轉(zhuǎn)換的瞬間，當(dāng)熱態(tài)冷凍液并沒有完全褪去，冷態(tài)冷凍液已經(jīng)進(jìn)來占據(jù)了一部分的空間。這個時候就會對材料存在高低溫沖擊，經(jīng)過一定數(shù)量的循環(huán)，焊縫處發(fā)生了裂紋。

而為什么失效總是在主板與管子的焊縫處呢，主要是因為主板與管子的熱膨脹系數(shù)不一樣。這也主要是因為主板與管子的厚度及材料選擇不一樣所導(dǎo)致。

當(dāng)散熱器在冷凍液冷熱態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，部分鋁材在收縮，部分在膨脹；

當(dāng)散熱器中完全注入冷態(tài)冷凍液時，主板收縮得比管子快；

當(dāng)散熱器中完全注入冷態(tài)冷凍液時，主板膨脹得比管子快；

在實車環(huán)境下，散熱器在低溫下啟動也會造成鋁材收到溫度沖擊而變形。

4 抵抗溫度交變措施討論

4.1 對于現(xiàn)有產(chǎn)品釬焊質(zhì)量的改進(jìn)

由于大部分失效模式主要發(fā)生在釬焊焊縫處，由此對于通過提高釬焊質(zhì)量從而提高抗溫度交變的工藝難度可見一斑。

我們嘗試從以下幾方面去控制芯子的釬焊質(zhì)量，以27VHP產(chǎn)品為例。

（1）翅片到管子間的距離。我們都知道在溫度交變實驗過程中，管子與主板發(fā)生形變位移是不可避免的，那么如果有足夠多的材料支撐住鋁管，不讓其形變或者盡量減少材料內(nèi)應(yīng)力，這樣對提高芯子抗溫度交變能力是正面意義的。（2）芯子本身釬焊后的彎曲程度。由于釬焊式散熱器是靠焊接夾具支撐通過氣體保護(hù)焊爐子進(jìn)行焊接，每根翅片高度在焊接后都會有不同程度的收縮，整個芯子的搜索會在3～4mm 內(nèi)。伴隨著翅片高度的下降，管子在釬焊的作用下并夾具的壓縮也會往芯子中部收縮。故大部分的芯子焊接后都呈“凹”字狀態(tài)。當(dāng)然，企業(yè)也有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)控制“LF”也就是邊板到邊板之間的距離。所以我們做了幾種實驗方案，去驗證到底“凹”字型狀態(tài)多明顯才會提高散熱器抵抗溫度交變的能力。（3）B型管“delta”區(qū)域尺寸控制。我們在對失效樣件的金相分析過程中，發(fā)現(xiàn)很多案例的裂紋都是從B型管折疊處開始延伸到兩側(cè)。所以B型管delta區(qū)域的尺寸控制需要加強。

我們都知道，B型管成型是由一張鋁箔通過十幾到輥輪彎曲成型。而在釬焊過程中，delta區(qū)域也是最難焊接區(qū)域。在釬焊爐中，鋁材表面的復(fù)合層熔點較芯材低而融化，填滿delta區(qū)域以及管子與主板的縫隙處。而delta區(qū)域太大，焊劑填不充分，會有泄露的風(fēng)險，即是通過泄露測試，也可能會有虛焊漏焊在耐久試驗中失效的風(fēng)險。Delta區(qū)域太小，則意味著折彎半徑較小，刀具容易磨損。而且經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，折彎半徑過小，則折疊處呈立角狀態(tài)，此處材料內(nèi)應(yīng)力較大，在溫度交變過程中容易失效。所以，我們也準(zhǔn)備了幾種“delta”區(qū)域內(nèi)圓角的樣件進(jìn)行對比試驗。

通過福特試驗我們發(fā)現(xiàn)，翅片與主板距離控制在4±1mm ； 芯子中部LF與兩側(cè)LF相差0.75mm以下?！癉elta”區(qū)域內(nèi)圓角最小不能超過0.083mm時，27VHP產(chǎn)品無需經(jīng)過改變設(shè)計即可提高產(chǎn)品的抗溫度交變能力。

4.2 對于新產(chǎn)品改進(jìn)方向研究

4.2.1 主板

由于大部分的失效都發(fā)生在主板與管子之間的焊縫處，所以在主板設(shè)計上另辟蹊徑是非常有必要的。我們都知道由于管子與主板的熱膨脹系數(shù)不一樣導(dǎo)致焊縫處內(nèi)應(yīng)力角集中，那么如果可以改變主板與管子焊縫曲線的形狀，則可以較少應(yīng)力及不均勻分布情況。通過模擬分析我們可以知道，傳統(tǒng)平面狀設(shè)計的主板，熱內(nèi)應(yīng)力主要往管子兩側(cè)擴散。改變成弧面型設(shè)計后，熱內(nèi)應(yīng)力從兩側(cè)往芯子中部擴散，有效降低了熱應(yīng)力對焊縫的疲勞影響。其次，在增加主板上管子插槽的翻邊高度后也能有效降低熱內(nèi)應(yīng)力。

4.2.2 管子

傳統(tǒng)長壽命鋁合金為了提高腐蝕性能，往往忽略本身機械性能的重要性。而提高鋁合金材料中的鎂含量能顯著提高材料的機械性能，特別是焊后的機械性能。傳統(tǒng)合金釬焊后的屈服強度在45～50Mpa左右，而增加一定比例的鎂元素后能達(dá)到55～60Mpa。這對散熱器抵抗溫度交變的能力提升是非常明顯的。

管子的厚度目前很多發(fā)動機冷卻廠家已經(jīng)選用200微米的材料管子，但是實際上部分主機廠提出的溫度交變標(biāo)準(zhǔn)往往接近鋁材的機械強度極限值。所以對于福特、大眾這些主機廠必須選用厚的材料，譬如230微米甚至更高厚度材料的管子。

4.2.3 邊板

邊板的設(shè)計首先要考慮對于芯子的支撐，所以本身的剛度不能設(shè)計得太弱，因為在釬焊過程中邊板是需要承受夾具對于芯子的夾緊力的，而且釬焊之后對于整個芯子的剛度貢獻(xiàn)也比較大，特別是現(xiàn)在的散熱器設(shè)計得越來越緊湊，目前10mm芯厚的散熱器作為低溫散熱器也在市場上面出現(xiàn)了。其次就是要考慮對產(chǎn)品可靠性的影響了，當(dāng)產(chǎn)品經(jīng)受溫度交變或者壓力交變作用的時候，管子需要來回收縮，如果剛性太高的邊板不能及時釋放管子的應(yīng)力，則會對產(chǎn)品產(chǎn)生致命的影響。也就是說，在邊板設(shè)計的時候需要在他需要斷的時候要容易斷。所以邊板設(shè)計這種結(jié)構(gòu)也是難點，如果這種工藝切口太薄，則需要比較高的沖壓工藝，而且也不能太軟，不然在物流過程中容易變形損壞。

5 加強片

對于管子的變形來說，如果在管子內(nèi)壁進(jìn)行增強，則當(dāng)出現(xiàn)熱膨脹系數(shù)不一樣時，管子的內(nèi)應(yīng)力由于管子被限制住變形而減小。所以，增加一種加強片插入到管子中部在釬焊之后能與管子形成一體這也不失為一種簡易的，行之有效的方案。特別是高低溫?zé)峤粨Q器，失效位置往往發(fā)生在高溫區(qū)和低溫區(qū)交界處，用加強片放在交界處的相鄰三根管子處已經(jīng)被我們驗證是非常好提高抗溫度交變的一種手段。

6 機械釬焊式散熱器

對于散熱器生產(chǎn)廠家都知道，散熱器按制造工藝分，有機械散熱器和釬焊式散熱器兩大類。機械散熱器應(yīng)用在上世紀(jì)80年代的銅管散熱器，以及90年度初的鋁管散熱器。包括目前家用空調(diào)的兩器大部分用的也是機械散熱器。機械散熱器唯一的一個好處便是不會有溫度交變的影響，因為機械散熱器是靠機械漲緊的方式使得管子和翅片相接觸，管子和主板之間的密封也是通過密封圈來密封，根本就不存在焊縫。然而缺點也很明顯，就是散熱能力沒有釬焊式散熱器高。所以很有必要開發(fā)一款兩種工藝混合的產(chǎn)品，即是先讓翅片和管子通過釬焊連接形成芯子，在用機械散熱器的工藝方式連接主板和水室。其唯一的難點就是如何保證釬焊過后管子之間的位置度，這也是該產(chǎn)品的重中之重。

7 結(jié)語

在本研究中，筆者針對釬焊式發(fā)動機散熱器溫度交變失效的原因進(jìn)行分析，及提出了諸多可行性的改進(jìn)方案，筆者在進(jìn)行研究的時候進(jìn)行了相關(guān)很多的實驗，因此本研究也是再基于相關(guān)的實驗基礎(chǔ)上所得出的結(jié)論?，F(xiàn)如今，自動啟停系統(tǒng)已經(jīng)普及在大部分的乘用車上，而且主動進(jìn)氣格柵也已經(jīng)開始應(yīng)用在高端車型上，所以筆者認(rèn)為，這一切的跡象表明溫度交變高抵抗力的散熱器是目前發(fā)動機冷卻散熱器生產(chǎn)廠家的一塊兵家必爭之地。為了使汽車散熱器能夠具備重大的突破，相關(guān)研究人員還需要再接再厲，爭取開發(fā)出更好的產(chǎn)品，為我國汽車事業(yè)做出更高的貢獻(xiàn)。