鋁制散熱器焊縫接頭開(kāi)裂分析*

，， ，

(1.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州畢節(jié)551700； 2.重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司，重慶401120；3.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550025；4.貴州貴航汽車零部件股份有限公司永紅散熱器公司，貴州貴陽(yáng)550009)

0 引言

焊接式鋁制散熱器廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中，其焊縫接頭強(qiáng)度影響散熱器芯體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。水冷式散熱器的焊縫需承受發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液在循環(huán)工作中的壓力和溫度載荷，焊縫質(zhì)量直接影響進(jìn)水室和出水室的密封性[1]。研究發(fā)現(xiàn)，散熱器焊縫接頭的破壞形式主要是疲勞開(kāi)裂[2]。J.P.Bergmann對(duì)鋁合金焊接接頭進(jìn)行了研究，探索了改善鋁合金焊接接頭疲勞性能的方法[3]。受交變載荷導(dǎo)致的焊接接頭疲勞破壞較為復(fù)雜，Hobbacher所著焊接接頭及部件的疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范為受交變力的焊接部件的設(shè)計(jì)和分析提供了參考[4]。水冷式散熱器在工作過(guò)程中，受到循環(huán)壓力和溫度載荷作用，Roy對(duì)汽車散熱器在壓力循環(huán)載荷下的疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并提供了相應(yīng)的疲勞分析方法[5]。高飛等研究了焊接式散熱器釬焊結(jié)構(gòu)疲勞失效的原因，并通過(guò)對(duì)焊縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化提高了焊縫接頭的強(qiáng)度[6]。莊華曄等對(duì)卡車鋁制散熱器發(fā)生水管開(kāi)裂進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)水管開(kāi)裂原因是由于熱疲勞導(dǎo)致[7]。

在對(duì)某款焊接式水冷鋁制散熱器進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，散熱管與管柵接頭根部開(kāi)裂發(fā)生冷卻液滲漏現(xiàn)象。本文針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了分析研究，找到接頭開(kāi)裂原因，并通過(guò)對(duì)管柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)解決了散熱管與管柵焊縫接頭開(kāi)裂漏水問(wèn)題。

1 試驗(yàn)結(jié)果分析與模擬仿真

1.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1 焊縫開(kāi)裂區(qū)域

溫度循環(huán)試驗(yàn)中發(fā)生冷卻液滲漏，導(dǎo)致溫度循環(huán)試驗(yàn)被迫終止。通過(guò)對(duì)冷卻液滲漏部位進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水室一側(cè)的散熱管與管柵根部的焊縫接頭發(fā)生開(kāi)裂，從而導(dǎo)致冷卻液滲漏。焊縫開(kāi)裂區(qū)域如圖1。

溫度循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，散熱器內(nèi)部冷卻液溫度為(130±3)℃并保持恒速流動(dòng)，外部為試驗(yàn)箱的環(huán)境溫度(-10± 3)℃。以60 s為一個(gè)周期，進(jìn)行循環(huán)加載。試驗(yàn)初始階段，散熱器中未通入高溫冷卻液，散熱器及其芯體內(nèi)部溫度與外界環(huán)境溫度相同。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，130 ℃的熱流體瞬間流過(guò)散熱器芯體，在散熱器內(nèi)部，與進(jìn)水室相連的散熱管與管柵接頭區(qū)域溫度迅速升高。而管與管柵的外部環(huán)境溫度為-10℃，導(dǎo)致散熱器進(jìn)水室側(cè)的散熱管與管柵內(nèi)外表面之間產(chǎn)生較大溫差。散熱管與管柵接頭處通過(guò)釬焊接合，導(dǎo)致接頭處產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，局部區(qū)域存在較大的熱應(yīng)力導(dǎo)致其易發(fā)生較大的塑性變形。

表1溫度循環(huán)試驗(yàn)條件

隨著冷卻液在散熱器芯體內(nèi)的流動(dòng)，散熱管、管柵、散熱翅片等與外部環(huán)境之間通過(guò)熱傳導(dǎo)而導(dǎo)致散熱管與管柵內(nèi)外表面之間的溫差減小，在一個(gè)循環(huán)周期結(jié)束時(shí)，產(chǎn)生的熱應(yīng)力有所降低，而下一循環(huán)周期開(kāi)始后又產(chǎn)生循環(huán)熱應(yīng)力。如此往復(fù)，導(dǎo)致散熱管與管柵接頭受到往復(fù)變化的循環(huán)熱應(yīng)力的作用，進(jìn)水室相連的散熱管與管柵接頭區(qū)域在循環(huán)熱應(yīng)力作用下易發(fā)生熱疲勞破壞，導(dǎo)致焊縫接頭處出現(xiàn)裂紋，發(fā)生冷卻液滲漏。

1.2 模擬分析模型

為進(jìn)一步分析焊縫接頭開(kāi)裂的原因，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)其進(jìn)行研究分析。根據(jù)散熱器實(shí)物尺寸，通過(guò)SolidWorks按1∶1比例創(chuàng)建分析模型，模型包括管柵、散熱管、焊縫等結(jié)構(gòu)，如圖2。由于管柵結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，根據(jù)相似性原理，截取單個(gè)接頭對(duì)其進(jìn)行分析。

圖2 管帶式散熱器三維模型圖

1.3 熱—結(jié)構(gòu)耦合分析

圖3 散熱管與管柵接頭處的 溫度分布

由于溫度循環(huán)過(guò)程為瞬態(tài)傳熱過(guò)程，因此，采用瞬態(tài)熱分析與熱結(jié)構(gòu)相結(jié)合的分析方法。通過(guò)瞬態(tài)熱分析得到溫度分布情況，然后將溫度加載到結(jié)構(gòu)分析中，獲得結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變。經(jīng)過(guò)一個(gè)循環(huán)周期后，得到散熱管與管柵接頭處的溫度分布如圖3。最高溫度出現(xiàn)在管與管柵接頭處，為110℃，最低溫度出現(xiàn)在散熱管出口端，為1.18℃。冷卻液在流動(dòng)過(guò)程中，與進(jìn)水室、散熱管、出水室等內(nèi)壁接觸，流體與固體之間發(fā)生熱傳導(dǎo)，導(dǎo)致流體溫度降低，固體溫度升高。在散熱管與管柵的接觸區(qū)域，流體與固體區(qū)域溫差快速減小，且因接觸區(qū)域較小，導(dǎo)致一個(gè)周期后該區(qū)域呈現(xiàn)高溫。

將圖3中的溫度載荷加載到管與管柵接頭結(jié)構(gòu)上，通過(guò)結(jié)構(gòu)分析得到接頭處的熱應(yīng)力應(yīng)變分布，如圖4。最大熱應(yīng)力出現(xiàn)在散熱管與管柵接觸的根部圓角區(qū)域，最大應(yīng)力值為140.19 MPa，超過(guò)管柵材料的屈服極限40 MPa，同時(shí)最大應(yīng)力值超過(guò)管柵材料的張力強(qiáng)度110 MPa。可見(jiàn)，接頭處破裂應(yīng)與接頭處管柵根部的結(jié)構(gòu)形式、管柵材料屬性等有關(guān)。

圖4 循環(huán)溫度載荷下焊縫接頭的應(yīng)力和應(yīng)變

應(yīng)變分布情況與應(yīng)力分布基本一致，最大應(yīng)變位置出現(xiàn)在接頭處管柵根部，約為1.98e-003 mm，高于企業(yè)的最高塑性應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)1.00e-004 mm。應(yīng)變值較大，一方面是因?yàn)樯峁芘c管柵接頭根部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，散熱管與管柵通過(guò)焊接連接，在模擬中將兩者的連接設(shè)置為綁定約束，散熱管與管柵彼此相互約束，使兩者受到冷熱循環(huán)時(shí)不能完全自由膨脹和收縮，產(chǎn)生較大熱應(yīng)力和應(yīng)變。另一方面是因?yàn)樯峁芘c管柵接頭在極冷和極熱的過(guò)程中，兩者溫度差異較大，導(dǎo)致散熱管和管柵材料內(nèi)部高溫和低溫部分對(duì)應(yīng)的膨脹和收縮受到一定的限制而產(chǎn)生應(yīng)變。

1.4 釬焊接頭熱疲勞分析

圖5 管與管柵熱疲勞損傷圖

溫度的循環(huán)變化使材料發(fā)生周期性膨脹和收縮，管柵的形變受到散熱器進(jìn)水室安裝邊界的約束，其熱膨脹受到限制，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，局部區(qū)域的熱應(yīng)力較大易產(chǎn)生疲勞失效。 將ANSYS熱—結(jié)構(gòu)耦合分析結(jié)果導(dǎo)入LMS Virtual.Lab Durability中進(jìn)行熱疲勞分析。通過(guò)仿真得到接頭疲勞損傷如圖5所示，發(fā)生疲勞失效的位置主要集中在接頭兩端靠近管柵處的圓角區(qū)域，最大疲勞損傷值為1，表示該區(qū)域發(fā)生完全疲勞失效，與試驗(yàn)中散熱管與管柵根部局部開(kāi)裂、漏水區(qū)域相同?？梢?jiàn)，試驗(yàn)中散熱器發(fā)生泄漏是由于散熱管與管柵接頭處在循環(huán)溫度反復(fù)加熱—冷卻而引起的熱疲勞失效導(dǎo)致。

2 焊縫接頭疲勞開(kāi)裂改進(jìn)方案

通過(guò)上述分析可知，散熱管與管柵根部焊縫接頭開(kāi)裂、漏水的主要原因是在熱循環(huán)過(guò)程中引起接頭處產(chǎn)生交變熱應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致焊縫接頭處發(fā)生熱疲勞破壞。為降低熱應(yīng)力集中，對(duì)管柵開(kāi)口區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖6。

圖6 管柵結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后對(duì)比

優(yōu)化前，管柵開(kāi)口區(qū)域圓角為0.4 mm，過(guò)渡位置相對(duì)尖銳，改進(jìn)方案將其圓角設(shè)計(jì)為0.8 mm，通過(guò)增大圓角半徑，減小應(yīng)力集中，改善焊接接頭處的熱應(yīng)力。對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行仿真分析，得到熱應(yīng)力及對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?nèi)鐖D7所示。優(yōu)化前后的應(yīng)力和應(yīng)變對(duì)比如表2。優(yōu)化前后對(duì)比，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在接頭根部圓角區(qū)域，改進(jìn)前最大應(yīng)力為140.19 MPa，改進(jìn)后最大應(yīng)力為47.877 MPa，改進(jìn)后最大應(yīng)力明顯降低。改進(jìn)后的最大應(yīng)變?yōu)?.523e-004 mm，明顯小于結(jié)構(gòu)改進(jìn)前的最大應(yīng)變1.98e-003 mm。改進(jìn)后的最大塑性應(yīng)變值小于企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)塑性應(yīng)變值1e-003 mm，散熱管與管柵接頭結(jié)構(gòu)根部不會(huì)發(fā)生熱疲勞破壞。

圖7 改進(jìn)后管與管柵接頭的應(yīng)力應(yīng)變

表2結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后對(duì)比

3 結(jié)論

對(duì)某焊接式散熱器在溫度循環(huán)試驗(yàn)中出現(xiàn)焊縫接頭裂紋導(dǎo)致冷卻液滲漏的原因進(jìn)行分析，通過(guò)建立焊縫接頭裂紋失效分析模型進(jìn)行仿真，得到焊縫接頭失效原因是由于接頭與管柵根部圓角區(qū)域應(yīng)力集中較大，在溫度循環(huán)試驗(yàn)中產(chǎn)生交變熱應(yīng)力，導(dǎo)致該區(qū)域發(fā)生熱疲勞失效。通過(guò)增大接頭根部圓角半徑對(duì)原散熱器進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的焊縫接頭根部的應(yīng)力和應(yīng)變較優(yōu)化前明顯降低。