鋁質(zhì)液冷板變形量的控制研究分析

鮮大中

（愛美達（上海）熱能系統(tǒng)有限公司，上海201611）

0 引 言

隨著電子行業(yè)的快速發(fā)展和進步，集成度越來越高，對發(fā)熱元器件的散熱要求越來越苛刻。早期的風冷產(chǎn)品已滿足不了要求，液冷散熱已逐漸成為散熱行業(yè)的主流趨勢。從散熱性能、產(chǎn)品質(zhì)量、制造成本等因素考慮，鋁材質(zhì)的液冷板是該行業(yè)的首選。鋁材質(zhì)的焊接工藝和加工變形量的控制也成為該行業(yè)的關(guān)鍵控制因素。本文主要結(jié)合實際的案例情況，從液冷板的結(jié)構(gòu)設(shè)計、相應的焊接工藝方法的選擇、熱處理工藝方法、加工工藝路線等方面，并結(jié)合有限元分析變形量的合理控制范圍，達到在滿足產(chǎn)品性能的前提下，又能有效控制產(chǎn)品的加工變形量，提升產(chǎn)品的合格率和競爭力。

1 影響加工變形的因素分析

影響零部件加工變形的因素有很多，包括零部件自身的結(jié)構(gòu)特征及加工生產(chǎn)條件等。經(jīng)研究分析發(fā)現(xiàn)，引起零部件加工變形的可能因素有：1）工件設(shè)計。結(jié)構(gòu)特征是否合理、選用材料是否合適，以及相應的焊接工藝是否正確，是控制產(chǎn)品變形量的決定性因素。2）熱處理工藝。熱處理工藝是否得當，熱處理狀態(tài)是否滿足要求。3）夾具設(shè)計。包括裝夾位置、夾緊力大小、夾具剛度、定位精度等。4）加工工藝。包括切削用量、加工順序、走刀路徑等。5）加工機床。包括機床的控制精度、剛度等。6）刀具的選擇。包括刀具幾何參數(shù)、材料選擇、剛度、磨損情況等。7）其他因素。包括環(huán)境溫度，是否有振動影響等。

本文著重從以下幾點進行分析：工件的結(jié)構(gòu)設(shè)計及相應焊接工藝選擇；熱處理工藝；夾具設(shè)計；加工工藝。并分析每一工藝產(chǎn)生變形的原因，提出改善對策，以有效控制每一步工藝的變形量。

2 液冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

2.1 常用液冷板結(jié)構(gòu)

液冷板是將冷卻液體引入帶腔體的冷板內(nèi)，通過冷卻液體在內(nèi)部腔體內(nèi)的循環(huán)流動，經(jīng)冷板材質(zhì)的熱傳導，從而冷卻與冷板接觸的熱源。所研究的產(chǎn)品內(nèi)部是帶空腔體結(jié)構(gòu)，對于熱源比較集中的區(qū)域，為提高散熱性能，腔體內(nèi)需增加提高性能的擾流翅片結(jié)構(gòu)。目的是通過增加翅片結(jié)構(gòu)，提高該區(qū)域的流通阻力，從而減小此區(qū)域的流速，提高流體與熱源的熱交換效率。常用的擾流結(jié)構(gòu)有鋁質(zhì)板翅片(如圖1)、加工柱體結(jié)構(gòu)(如圖2)、鏟翅片(如圖3)等。從前面的結(jié)構(gòu)介紹可知，液冷板在焊接前主要分三部分結(jié)構(gòu)：底板、內(nèi)部翅片結(jié)構(gòu)、蓋板。經(jīng)過各種焊接工藝焊接成一體，再將產(chǎn)品表面加工成所需結(jié)構(gòu)而形成最終的產(chǎn)品。

圖1 鋁翅片流道結(jié)構(gòu)

圖2 柱體流道結(jié)構(gòu)

2.2 熱源接觸面的平面度要求

圖3 鏟制翅片結(jié)構(gòu)

通常，熱源與液冷板之間需要填充導熱材料，以增加熱源與液冷板的接觸面積。從熱性能分析可知，導熱材料的熱阻系數(shù)一定的情況下，使用的材料越薄，熱阻越小，傳熱性能越好。這就要求該區(qū)域的平面度越小越好。因此，產(chǎn)品的平面度也成為液冷板的重要性能指標之一。在本案例中，需要解決的是液冷板變形問題，要求液冷板在520 mm×465 mm區(qū)域內(nèi)平面度控制在0.5 mm的范圍內(nèi)。

2.3 從承壓能力分析結(jié)構(gòu)強度

根據(jù)不同應用條件，液冷板所需要承受的壓力也不一樣，本案例要求滿足不低于1 MPa的承壓要求。為降低整個產(chǎn)品質(zhì)量，希望在滿足承壓前提條件下，將產(chǎn)品做得越薄越好。這就需要定義出產(chǎn)品的最小壁厚，通常結(jié)合內(nèi)部流道布置情況，找出承壓能力最弱的區(qū)域，即流道最寬的地方，可利用有限元分析軟件進行強度分析，在滿足材料強度的前提下，可評估出產(chǎn)品的最小壁厚。以下是利用有限元強度分析評估出的相同流道不同結(jié)構(gòu)的變形量情況。

如圖4所示，在流道內(nèi)部無加強支撐結(jié)構(gòu)的情況下，在1 MPa的壓力作用下變形量約為2.1 mm。

圖4 流道無加強結(jié)構(gòu)變形量

如圖5所示，在相同流道寬度的情況下，內(nèi)部增加焊接支撐的結(jié)構(gòu)，在同樣的壓力作用下，變形量減小到0.275 mm。

圖5 流道有加強結(jié)構(gòu)變形量

從分析可以看出，在空腔結(jié)構(gòu)中很難將壁厚做到很薄，為了滿足產(chǎn)品輕薄及承壓能力要求。這就需要將內(nèi)部翅片結(jié)構(gòu)與焊接工藝方法有效結(jié)合，采用合適的焊接工藝方法來實現(xiàn)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能要求。

2.4 焊接工藝選擇

鋁材質(zhì)常用的焊接工藝主要有：氬弧焊接、電阻焊接、激光焊接、真空釬焊焊接、攪拌摩擦焊接等。對于液冷板產(chǎn)品來講，焊接區(qū)域相對面積較大，而且對內(nèi)部焊接流道清潔度要求較高，主要用到真空釬焊與攪拌摩擦焊接。其他再根據(jù)不同的內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)采用不同的焊接工藝方法。

對于流道相對簡單、流道區(qū)域不太寬的液冷板(如圖6)，宜采用攪拌摩擦焊接，不但流道清潔度高、焊接設(shè)備簡單、對環(huán)境的要求相對較低，而且制造成本相對較低。但是，攪拌摩擦焊接也有它的局限性，焊接部位必須要有足夠的剛度，有足夠強度的結(jié)構(gòu)來支撐焊接頭對工件的壓力。對于較大面積腔體結(jié)構(gòu)的液冷板來說，由于腔體區(qū)域中間翅片無法采用攪拌摩擦焊接，使得承壓能力受到限制。

圖6 攪拌摩擦焊接結(jié)構(gòu)示意圖

真空釬焊是鋁材焊接常用的另一種焊接方法。是用低于焊件熔點的釬料和焊件同時加熱到釬料熔化溫度后，利用液態(tài)釬料填充固態(tài)工件的間隙使焊件連接的焊接方法[1]。特別適用于大接觸面之間的薄板焊接，并可以利用流道內(nèi)部的翅片結(jié)構(gòu)，將底板與蓋板之間焊接成一體，從而加強了整個液冷板的剛度，增強液冷板抵抗變形的能力（如圖7）。因此，對于輕薄型、面積較大的液冷板，從結(jié)構(gòu)強度分析來看，采用合理的焊接工藝有助于減小工件的變形量。本案例也是將最初的攪拌摩擦焊工藝改為真空釬焊工藝，利用內(nèi)部鋁翅片作為流道腔體的加強筋作用，提高了工件整體剛度，并為后續(xù)的機加工變形量控制提供基礎(chǔ)。

圖7 真空釬焊結(jié)構(gòu)示意圖

3 熱處理工藝

引起工件變形的主要原因是內(nèi)應力的存在。有多種情況會產(chǎn)生內(nèi)應力：如工件材料存在初始應力；在進行材料焊接后存在殘余應力；在機加工時刀具與材料之間因摩擦而產(chǎn)生熱應力；因工裝夾具的約束而產(chǎn)生局部應力等。均要求使用相應的熱處理工藝進行殘余應力釋放，以避免因內(nèi)應力的存在而導致精加工后的產(chǎn)品出現(xiàn)變形。表1中數(shù)據(jù)是采集未進行退火和整形校正時測量出產(chǎn)品的平面度。

表1 未進行熱處理的平面度

同時，針對液冷板主要使用6061鋁合金或6063鋁合金材料，在進行真空釬焊后材料會軟化，抗拉強度會由原始狀態(tài)的330 MPa降低到135 MPa左右[2]。則必須進行材料的熱處理強化工藝，即采取固溶和時效處理，使抗拉強度提升到280 MPa左右，以保證工件的結(jié)構(gòu)強度[3]。

參考鋁合金的熱處理工藝與試驗經(jīng)驗，確定真空釬焊的產(chǎn)品采用如下熱處理工藝路徑：材料焊接→固溶→立即進行時效處理→產(chǎn)品整形校正→粗加工→退火處理→再次整形校正→精加工。使其材料在強度得到提高的同時，內(nèi)應力也得到很好的釋放。對于采用攪拌摩擦焊接的產(chǎn)品，采取了多次退火處理工藝，熱處理工藝參考如下：材料焊接→退火處理→固溶→立即進行時效處理→產(chǎn)品整形校正→粗加工→退火處理→再次整形校正→精加工。

主要的熱處理工藝參數(shù)如下：退火溫度設(shè)定為400～410 ℃，保溫15～30 min，隨爐冷卻至200 ℃左右后進行空冷。以釋放前道工序產(chǎn)生的應力[4]。固溶處理，設(shè)定溫度范圍在520～530 ℃，保溫6 h后采用水冷快速冷卻8～10 min。時效處理，設(shè)定溫度范圍在170～175 ℃，保溫8 h。

經(jīng)過以上熱處理工藝后，再次測量出產(chǎn)品的平面度數(shù)據(jù)如表2所示。

從以上測試數(shù)據(jù)可以看出，退火工藝是釋放內(nèi)應力最有效的途徑之一。在熱處理的同時，其他整形校正工藝不可忽視，在減少變形量的工藝中起著重要作用。通過退火工藝與整形校正方法相結(jié)合，使產(chǎn)品的變形量得到有效控制。對于某些結(jié)構(gòu)復雜的產(chǎn)品，在精加工過后也可采用產(chǎn)品整形校正的工藝。需要利用較高手段的檢查方法和較高精度的校正工裝去控制實現(xiàn)。

4 夾具的設(shè)計

對于此類薄壁零件，主要采用銑削加工來達到去除材料的加工方式。其零部件主要受到銑刀徑向和軸向的作用力而產(chǎn)生應力。由于其零件本身的剛度比較差，在進行夾具設(shè)計時需要充分考慮夾具的固定和裝夾位置，以及夾緊力對零部件的影響，選擇合理的裝夾方式以提升工件的剛度。對于安裝支撐面為大平面的產(chǎn)品，可以選用真空吸盤的方式進行裝夾，其好處是裝夾面的所有區(qū)域都被固定，而且可以避免夾緊力對零部件的變形影響。使工件受所綜合作用力和力矩盡可能小，從而提高零件的整體剛度，減少零部件在切削加工過程中的振動和變形。如果安裝基準面也存在結(jié)構(gòu)特征，不能選用真空吸盤方式裝夾時，可選用剛度好的材料預先加工出與零部件特征相反的特征來支撐工件（如圖8）。使工件的支撐接觸面積增大。同時，夾緊裝置的接觸面盡可能大，并固定在工件剛度較大的地方，盡量采用雙對稱的固定方式，以免工件局部受力而產(chǎn)生應力。從而有效控制和減小夾具裝夾對產(chǎn)品造成的變形。

圖8 支撐夾具

5 加工工藝

參考薄壁件加工變形的研究資料，變形的主要原因是其剛度差、切削余量大等引起加工過程中殘余應力產(chǎn)生的[5]。選擇合理的加工走刀順序也是有效控制產(chǎn)品變形的關(guān)鍵性因素。常見的走刀順序如圖9所示。

圖9 走刀順序

A1是由外向內(nèi)的加工順序；A2是由內(nèi)向外的加工順序；A3是從左向右的加工順序；A4是從下向上的加工順序。通過對4種加工順序的研究和對加工結(jié)果的測試對比，采用A2所示的由內(nèi)向外螺旋加工方式后，加工變形量最小。是應對薄壁件加工的有效加工順序。分析其原因，先從剛性較弱的中心區(qū)域開始加工時，周圍未加工區(qū)域的材料還可為中間區(qū)域提供一定的剛性支撐，而且走刀順序呈對稱性加工時，可以抵消加工過程中所產(chǎn)生的應力，使其相對面產(chǎn)生的應力平衡，從而使工件的內(nèi)部整體應力處于穩(wěn)定的狀態(tài)，變形量相對較小。

6 結(jié)論

經(jīng)過對液冷板加工變形所有可能原因的分析和總結(jié)，并提出具體改善方案和措施，嚴格控制好每一道工序的要求，減小每道工序所產(chǎn)生的應力。根據(jù)實際案例加工驗證，變形量可以有效控制在合理范圍內(nèi)，為類似產(chǎn)品的設(shè)計和加工提供參考依據(jù)。