基于遺傳優(yōu)化算法的微通道紫銅熱交換器擴(kuò)散連接工藝

葉建華 陳明和 謝蘭生 蘇 楠 羅 峰

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

0 引言

微通道熱交換器是從電子換熱領(lǐng)域發(fā)展而來進(jìn)行微型化創(chuàng)新得到的大尺度微通道冷卻裝置，相比于常規(guī)換熱器具有很大的優(yōu)勢(shì)：微尺度傳熱傳質(zhì)技術(shù)、換熱速度快、運(yùn)行穩(wěn)定、制造成本低和使用壽命長等，使得微通道熱交換器迅速向航空航天、微型核反應(yīng)堆、相控陣?yán)走_(dá)、燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)等重大領(lǐng)域拓展[1-2]。

微通道熱交換器常采用傳熱效率高的材料制造，如T2紫銅，相比于其他材料，T2紫銅具有導(dǎo)熱率高、優(yōu)良的延展性以及抗腐蝕性能等優(yōu)點(diǎn)。但由于其導(dǎo)熱率高，在焊接過程中，容易出現(xiàn)焊縫難融合、易變形、熱裂紋和氣孔傾向問題[3]。目前，用于T2紫銅的焊接方法主要有TIG焊、釬焊、激光焊和攪拌摩擦焊等。馬闖等[4]研究了T2紫銅板對(duì)接TIG焊接工藝，分析了焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭的影響，并在合適的工藝參數(shù)下得到了良好的焊接效果。ZAHARINIE等[5]研究了T2紫銅板上的釬焊試驗(yàn)，分析了表面粗糙度對(duì)紫銅釬焊的影響，通過使用平均表面粗糙度，得到了較好的T2紫銅釬焊接頭。何力佳等[6]對(duì)2 mm厚T2紫銅板進(jìn)行了未預(yù)熱和不同溫度預(yù)熱（100，150，200℃）的激光焊接，研究了焊前預(yù)熱對(duì)焊接接頭組織和性能的影響。賀地求等[7]采用攪拌摩擦焊的方法研究了T2紫銅和不銹鋼異種金屬的焊接，通過對(duì)焊接接頭的微觀組織觀察分析，得到了成形良好、變形小的焊接接頭。

擴(kuò)散連接技術(shù)作為一種新型的固態(tài)連接工藝，在一定的溫度、壓力、時(shí)間和真空度下，使焊接面兩側(cè)材料通過原子相互擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)連接，得到的焊接接頭質(zhì)量較好[8]。目前，國內(nèi)外期刊對(duì)T2紫銅同種材料擴(kuò)散連接的研究報(bào)道較少，大多數(shù)都是研究T2紫銅作為中間層或者異種材料的擴(kuò)散連接[9-12]。本文為彌補(bǔ)這方面不足，研究了T2紫銅同種材料擴(kuò)散連接，采用多目標(biāo)遺傳算法對(duì)其擴(kuò)散連接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)焊后擴(kuò)散連接質(zhì)量進(jìn)行檢測，并對(duì)微通道熱交換器進(jìn)行擴(kuò)散連接制造工藝驗(yàn)證。

1 實(shí)驗(yàn)

T2紫銅，試樣尺寸為10 mm×10 mm×2 mm，其化學(xué)成分如表1所示，原始金相組織如圖1所示。試驗(yàn)前需對(duì)焊接試樣進(jìn)行表面預(yù)處理，使用砂紙進(jìn)行沾水輕微打磨，在經(jīng)過酸洗、堿洗去除表面氧化膜。

表1 T2紫銅化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of T2 copper w/%

圖1 T2紫銅原始金相組織Fig.1 Microstructure of T2 copper 200×

以正交試驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)高度非線性擬合和遺傳算法處理非解析表達(dá)函數(shù)優(yōu)化問題的特性，以擴(kuò)散連接時(shí)的溫度、壓力、保溫時(shí)間為輸入變量，以擴(kuò)散連接后的試樣焊合率和變形量為輸出變量，對(duì)試驗(yàn)輸入輸出數(shù)據(jù)先運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行非線性擬合，再利用多目標(biāo)遺傳算法對(duì)試驗(yàn)輸入變量所構(gòu)成的解空間進(jìn)行最佳工藝參數(shù)的全局并行搜索，其流程如圖2所示。根據(jù)得到的合適工藝參數(shù)進(jìn)行擴(kuò)散連接試驗(yàn)，對(duì)焊后試樣進(jìn)行焊合率和變形量的檢測，并在此工藝參數(shù)下進(jìn)行微通道熱交換器制造工藝驗(yàn)證。

圖2 T2紫銅擴(kuò)散連接多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化流程圖Fig.2 Optimization flow chart of multi-objective genetic algorithm for T2 copper diffusion bonding

擴(kuò)散連接界面的焊合率是衡量焊接接頭質(zhì)量的一個(gè)重要依據(jù)，通常焊合率越高，焊接質(zhì)量越好。在實(shí)際零件擴(kuò)散連接制造時(shí)，不僅要考慮到焊合率的高低，同時(shí)還要注意零件變形量的大小，以防變形量過大，不符合零件的加工制造要求。焊后試樣先采用式（1）計(jì)算變形量。再用線切割截取一部分，并置于金相顯微鏡下觀察連接界面的結(jié)合情況，采用式（2）計(jì)算焊合率。

式中，Δh為焊接試樣的變形量，h0為焊接前兩個(gè)試樣總高度，h1為焊接后試樣總高度，l為焊合率，l0為焊接面上焊縫總長度，l1為焊縫上未焊合區(qū)域總長度。

2 結(jié)果與討論

2.1 建立訓(xùn)練樣本

采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立T2紫銅擴(kuò)散連接工藝參數(shù)與試樣焊合率及變形量之間的映射關(guān)系需要一系列的訓(xùn)練樣本，而且訓(xùn)練樣本數(shù)量足夠大或者樣本點(diǎn)具有代表性，能夠使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練得更加準(zhǔn)確[13]。本文采用正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)3因素4水平的擴(kuò)散連接試驗(yàn)。正交試驗(yàn)法可以減少樣本點(diǎn)的數(shù)量，使樣本點(diǎn)的分布更加均勻、全面，根據(jù)正交性原則選出典型的試樣點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)每個(gè)條件下得到的擴(kuò)散連接后的試樣，按公式（1）計(jì)算試樣變形量，焊后試樣經(jīng)打磨、拋光腐蝕后，按公式（2）計(jì)算其焊合率，正交試驗(yàn)方案安排及其結(jié)果如表2所示。

表2 擴(kuò)散連接試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 The results of diffusion bonding test

2.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模

在進(jìn)行T2紫銅擴(kuò)散連接工藝參數(shù)優(yōu)化時(shí)，需要建立輸入輸出變量之間的數(shù)學(xué)模型。由于擴(kuò)散連接過程是一個(gè)高度的非線性過程，普通方法難以建立焊接工藝參數(shù)與焊后焊合率和變形量之間的映射關(guān)系，所以本文引入了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。以擴(kuò)散連接時(shí)的溫度、壓力、保溫時(shí)間為輸入變量，以擴(kuò)散連接后的試樣焊合率和變形量為輸出變量，在Matlab內(nèi)建立一個(gè)3-8-2型的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)試驗(yàn)的輸入輸出變量進(jìn)行非線性擬合。任取正交試驗(yàn)表內(nèi)的14組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，當(dāng)訓(xùn)練精度滿足要求（小于0.001）達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，停止訓(xùn)練，訓(xùn)練完成后，用剩余2組數(shù)據(jù)驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)的可靠性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相關(guān)系數(shù)可達(dá)98.56%，模型預(yù)測輸出值及實(shí)驗(yàn)值之間的相對(duì)誤差如圖3所示，誤差相對(duì)較小，均在5%以下。

圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測相對(duì)誤差Fig.3 The predictive relative error of BP neural network model

2.3 多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化

T2紫銅擴(kuò)散連接的優(yōu)化目標(biāo)有焊合率和變形量兩個(gè)，是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化的問題。對(duì)于多目標(biāo)優(yōu)化問題，并不能滿足所有的目標(biāo)函數(shù)同時(shí)達(dá)到最優(yōu)的要求，當(dāng)某一個(gè)目標(biāo)函數(shù)越接近其最優(yōu)解時(shí)，必然導(dǎo)致另一個(gè)目標(biāo)函數(shù)越遠(yuǎn)離其最優(yōu)解，不存在一個(gè)解使得兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)同時(shí)達(dá)到最優(yōu)。多目標(biāo)優(yōu)化問題往往不存在唯一的最優(yōu)解，而是有很多個(gè)不存在大小關(guān)系的解組成的集合，即此集合中的每一組解均與其他解沒有優(yōu)劣關(guān)系（即不受其他解支配），該集合稱為非支配解集或者非劣解集（Pareto解）[14]。本文對(duì)T2紫銅擴(kuò)散連接后的要求為焊合率達(dá)到90%以上，變形量在0.2 mm以下，由于多目標(biāo)遺傳算法是一個(gè)全局尋優(yōu)最小值的過程，所以構(gòu)建以下函數(shù)：

據(jù)此，建立擴(kuò)散連接優(yōu)化變量和優(yōu)化目標(biāo)如下：

根據(jù)2.2節(jié)建立的優(yōu)化變量和優(yōu)化目標(biāo)之間的映射關(guān)系（即優(yōu)化模型），在此基礎(chǔ)上，利用Matlab軟件里的多目標(biāo)遺傳算法（Gamulitiobj）對(duì)T2紫銅的擴(kuò)散連接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到了一組近似Pareto解，如圖4所示。根據(jù)焊接質(zhì)量的要求，得到滿足條件的解如表3所示，對(duì)輸出的優(yōu)化參數(shù)按正交試驗(yàn)表水平值就近取整。

圖4 多目標(biāo)遺傳算法的Pareto解Fig.4 The Pareto solution of multi-objective genetic algorithm

表3 根據(jù)Pareto解得到的優(yōu)化工藝參數(shù)Tab.3 Optimized process parameters based on Pareto solution

采用表3兩組合適的工藝參數(shù)，進(jìn)行T2紫銅的擴(kuò)散連接試驗(yàn)驗(yàn)證，焊后的擴(kuò)散連接試樣金相圖如圖5所示，采用公式（1）和（2）計(jì)算表3中兩組工藝參數(shù)下的變形量和焊合率，結(jié)果如表4所示。

圖5 兩組合適工藝參數(shù)條件下的金相圖Fig.5 Metallographic diagram of two groups under suitable process parameters 200×

表4 兩組合適工藝參數(shù)下的焊接質(zhì)量Tab.4 Bonding quality of two sets suitable process parameters

通過擴(kuò)散連接試驗(yàn)驗(yàn)證，兩組合適工藝參數(shù)條件下的焊合率都達(dá)到了要求，但第一組的變形量相對(duì)較大，超過了T2紫銅焊接質(zhì)量要求，所以選擇第二組工藝參數(shù)作為T2紫銅擴(kuò)散連接最終的工藝參數(shù)。

2.4 微通道熱交換器制造工藝驗(yàn)證

采用2.3節(jié)中最終的工藝參數(shù)，本節(jié)對(duì)內(nèi)部為0.1 mm的矩形微通道熱交換器零件進(jìn)行擴(kuò)散連接制造。焊接前熱交換器零件如圖6（a）所示，焊后零件如圖6（b）所示。其厚度方向的變形量為0.162 mm。

圖6 微通道熱交換器焊接前后零件Fig.6 The parts of microchannel heat exchanger before and after diffusion bonding

對(duì)焊接后零件進(jìn)行超聲C掃描，如圖7所示，從圖中可以看出，微通道熱交換器經(jīng)擴(kuò)散連接后，僅右邊緣存在部分缺陷區(qū)域，后期進(jìn)行精加工時(shí)右側(cè)缺陷區(qū)域會(huì)被切掉，故可認(rèn)為連接情況良好。對(duì)焊后零件進(jìn)行耐壓防漏檢測，設(shè)定通水壓力為1.6 MPa，保壓15 min后無滲漏情況發(fā)生，且兩側(cè)散熱表面沒有鼓包產(chǎn)生，說明經(jīng)擴(kuò)散連接后的微通道熱交換器滿足耐壓密封性要求。

圖7 微通道熱交換器擴(kuò)散連接后的超聲C掃描圖Fig.7 Ultrasonic C-scan diagram after diffusion bonding of microchannel heat exchanger

2.5 T2紫銅擴(kuò)散連接界面結(jié)合過程

T2紫銅擴(kuò)散連接在高于銅再結(jié)晶溫度而低于銅熔化溫度的加熱溫度下，加壓保溫一定時(shí)間，實(shí)現(xiàn)T2紫銅板的固態(tài)連接。由于T2紫銅在焊接前需進(jìn)行加工和除去表面氧化膜工作，導(dǎo)致被焊接的兩個(gè)表面形成凸凹不平的界面孔洞，界面孔洞消失過程就是連接界面結(jié)合過程，整個(gè)過程在以塑性流動(dòng)為主的蠕變變形機(jī)理和以原子擴(kuò)散為主的擴(kuò)散機(jī)理共同作用下完成的[15]。

通常鈦合金和不銹鋼等材料的擴(kuò)散連接界面結(jié)合過程有四個(gè)階段：室溫裝配階段、兩個(gè)被焊表面物理接觸階段、界面變晶界階段以及晶界轉(zhuǎn)移階段，如圖8所示。而對(duì)于T2紫銅來說，其界面結(jié)合的過程卻只包含前三個(gè)階段，而不包括界面消失階段（即晶界轉(zhuǎn)移階段）。根據(jù)多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化得到的合適工藝參數(shù)，保持溫度、壓力不變，以30 min為間隔做四次擴(kuò)散連接試驗(yàn)，對(duì)焊后試樣的連接界面進(jìn)行觀察，如圖9所示。

圖8 擴(kuò)散連接界面的結(jié)合過程Fig.8 The bonding process of diffusion bonding interfaces

分析連接界面不能消失的原因，主要有以下兩點(diǎn)。

圖9 不同時(shí)間下擴(kuò)散連接后的微觀金相組織Fig.9 Microscopic metallographic structure after diffusion bonding at different times 200×

（1）由于T2紫銅是單相組織，在高溫條件下不會(huì)發(fā)生相變，導(dǎo)致T2紫銅的晶粒異常增大。而原子在晶界的擴(kuò)散速度要大于晶內(nèi)，晶粒粗大會(huì)降低擴(kuò)散速度，減小擴(kuò)散系數(shù)。另外，根據(jù)金屬學(xué)理論[16]，晶界能是晶界轉(zhuǎn)移的動(dòng)能，它與晶界的曲率半徑成反比。晶粒越大界面越平直，其曲率半徑越大，界面能越小，晶界轉(zhuǎn)移也就越困難。

（2）T2紫銅接頭界面可能含有氧化物夾雜，氧化物夾雜的晶界能比紫銅晶粒的晶界能低，阻礙晶界發(fā)生轉(zhuǎn)移。對(duì)擴(kuò)散連接界面進(jìn)行能譜的點(diǎn)掃描分析，如圖10所示?？梢钥闯?，擴(kuò)散連接界面處銅元素占有很大的比重，其中氧元素的存在說明連接界面處氧化物夾雜存在的可能性，而碳和硅元素可能是經(jīng)打磨拋光后研磨粉在試樣表面上的殘留。

圖10 T2紫銅的擴(kuò)散連接界面處點(diǎn)掃描圖Fig.10 The dot scan picture of T2 copper diffusion interface

3 結(jié)論

（1）以正交試驗(yàn)為基礎(chǔ)，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和多目標(biāo)遺傳算法得到了T2紫銅合適的擴(kuò)散連接工藝參數(shù)：溫度780 ℃、壓力7.5 MPa、保溫時(shí)間120 min，此條件下焊合率可達(dá)95.26%，變形量為0.166 mm，達(dá)到了T2紫銅擴(kuò)散連接的質(zhì)量要求。

（2）在合適的工藝參數(shù)條件下進(jìn)行微通道熱交換器的擴(kuò)散連接制造，得到的微通道熱交換器焊接質(zhì)量較好，厚度方向變形量為0.162 mm，超聲C掃描后連接情況良好，經(jīng)耐壓防漏檢測后，無滲漏情況發(fā)生，表面無鼓包，滿足耐壓氣密性要求，同時(shí)，也驗(yàn)證了采用擴(kuò)散連接技術(shù)制造微通道熱交換器的工藝可行性。

（3）分析了T2紫銅擴(kuò)散連接界面不能消失的原因：高溫條件下T2紫銅晶粒異常增大，導(dǎo)致界面能越小，晶界轉(zhuǎn)移就越困難，以及接頭界面可能存在的氧化物夾雜阻礙晶界發(fā)生轉(zhuǎn)移。