汽車空調冷凝器防腐蝕特性研究

張麗英 徐智雄

摘 要：隨著全世界對能源問題的日益關注，對于汽車行業(yè)的各種排放法規(guī)和燃油經濟性指標也逐步縮緊。2020年燃油率要達到5L/100km（NEDC），2025年達到4.6L/100km in 2025（WLTP）。國6a排放法規(guī)也將于2020全面實施。因此相對應汽車空調系統(tǒng)的各個換熱器也逐步往高性能，輕量化，高壽命的方向發(fā)展。本文就汽車空調系統(tǒng)中一個重要零件-冷凝器，闡述了其在輕量化開發(fā)中影響抗腐蝕方面的幾個因素以及提出了改進方法。

關鍵詞：汽車冷凝器;耐腐蝕特性;SiZnflux;布朗帶

1 引言

一方面空調冷凝器由于其散熱溫度需求，通常置于冷卻模塊最前端。那么其在日曬雨淋的行駛環(huán)境中，遭受的腐蝕程度也是最嚴重的。尤其是在一些沿海地區(qū)，或者污染比較重的城市，冷凝器更容易遭受鹽霧侵蝕。另外在一些極寒國家譬如北歐和俄羅斯地區(qū)，地面有融雪劑（鹽），也會直接造成冷凝器的腐蝕。另一方面，在提高散熱效率和輕量化的開發(fā)中，冷凝器管材和翅片又不得減少材料厚度同時其耐久壽命普遍需要達到10-15年。因此對冷凝器的抗腐蝕特性提出了挑戰(zhàn)。

2 冷凝器的結構和制造方法

目前汽用冷凝器多為鋁制換熱器，由管帶，翅片，積液管，儲液干燥瓶和接頭等零件組成。如圖1。

換熱機理為內部制冷劑通過管帶和翅片連接肋片由外部冷空氣帶走熱量。管帶多為擠出成型多孔管。根據(jù)不用的管帶寬度，孔數(shù)也隨著改變，如圖2。翅片則為滾壓成型，通過不同的開窗數(shù)量和角度優(yōu)化達到散熱的目標。管帶和翅片以及其他零件通過夾具預固定和噴涂釬焊劑干燥后投爐釬焊。釬焊方法通常為Nocolok焊劑釬焊。

釬焊機理：翅片材料為3003系鋁合金外附4045釬焊層，4045合金層在惰性氣體爐氛中加熱至600℃，熔化后和管帶形成焊腳（如圖3），使得管帶和翅片形成無數(shù)個連接點從而進行散熱。管帶基材為3003系合金，表面用電弧噴涂防腐Zn層濃度為6+4g/m2或7+ 3g/m2，無鉛焊層（如圖4）。

3 冷凝器外部腐蝕機理和失效模式分析

冷凝器在開發(fā)驗證過程中的外部腐蝕認可，國內多為中性鹽霧，國外多為SWAAT 鹽霧試驗，時間為500 到1000小時。 認可標準為氣密性測試，另外一些整車廠還會在氣密性基礎上要求翅片附著率大于90%以上。

冷凝器的外部腐蝕主要為管帶和翅片之間的腐蝕以及兩者相互產生的電化學腐蝕損耗的過程。以噴鋅管材為例說明，如圖5所示，管帶材料通常為AL-Mn 合金，在釬焊過程中表面的ZN元素在高于400度以上時，Zn元素開始向芯體管材擴散，并且在釬焊材料熔化（～577℃）之前，Zn具有從管表面朝向管芯材料的濃度梯度。當釬料熔化（大于577～585℃）時，表面層的Zn會隨著翅片和管帶材料的間隙產生的毛細作用隨焊料流動，在焊腳處形成高濃度的Zn，同時在管材表面和芯體之間形成約為5-20um的ZN 保護帶。釬焊完成后在焊腳， 翅片和管子之間會形式一個電位差：焊腳>翅片>管帶，如圖5所示。電位根據(jù)原電池原理的腐蝕保護機理：腐蝕會沿著電位差，優(yōu)先腐蝕焊腳-然后翅片-再到管帶表面-最后管帶基體。

當焊腳被完全腐蝕完后，會導致翅片脫落和管子泄漏，如圖6所示是我們市場上售后失效的冷凝器。實際我們在整車售后市場出現(xiàn)的冷凝器腐蝕失效模式，主要包括三大類：1>翅片脫落，2>管帶泄漏，3>早期點腐蝕泄漏。

1>翅片脫落主要表現(xiàn)為翅片和管帶之間的焊腳被腐蝕后失去連接而導致的脫落。2>管帶泄漏主要表現(xiàn)為管帶表面鋅層腐蝕剝落后露出基體產品的點腐蝕泄漏。3>早期點蝕泄漏主要表現(xiàn)為鋅在管帶表面不原因分布導致的局部點腐蝕早期失效。管帶過度腐蝕或者點腐蝕早期，除去管子本身質量缺陷以外，主要和管帶材料成分，管帶加工工藝以及噴鋅濃度比例設計是否合理有關。

另外影響冷凝器抗腐蝕性能的重要因素就是釬焊質量，主要原因體現(xiàn)為焊腳填充率不足或者翅片溶蝕率過高導致。而焊接質量是否優(yōu)良直接和NOLOCK爐的釬焊參數(shù)包括溫度和時間的設置直接相關。尤其是爐溫峰值時間，翅片合金4045熔化時間的設定尤為重要。本文比較了兩種爐溫設置下不同的釬焊和抗腐蝕特性表現(xiàn)：

1>熱焊：爐溫峰值Tmax=607，時間1（>577C）=5min;時間2（>600C）=2.45min;2>冷焊：爐溫峰值Tmax=598C; 時間1（>577C）=7mins;時間2（>600C）=0，同時取兩種不同釬焊下冷凝器放置于SWAAT腐蝕臺進行測試，同時取40個翅片，標記翅片兩側的焊腳為80個，為方便直觀判斷，各個焊腳侵蝕程度示例如圖7所示。

經過216小時SWAAT，可以看到冷焊的冷凝器焊腳沒有明顯侵蝕現(xiàn)象，其焊腳侵蝕率小于30%。而熱焊焊腳幾乎100%被侵蝕，如圖8所示。

另外過熱釬焊也會直接導致ZN層過度擴散在焊腳區(qū)域過度聚集，導致管子表面ZN保護層不足，使得管子表面被腐蝕或者點腐蝕泄漏，如圖9所示。

因此釬焊過程參數(shù)控制是影響腐蝕特性的關鍵因素。

4 提升外部腐蝕特性的方法

除了第2章節(jié)討論的釬焊參數(shù)因素，目前抗外部腐蝕的原理大部分都是采用材料犧牲陽極保護法，通過犧牲鋅材料達到保護基體材料的目的;或者采用噴涂抗腐蝕材料例如噴漆，噴塑等方式達到保護的目的。國內大部分冷凝器生產商都是采用電弧噴鋅在1系的鋁合金管帶上面如（如1100，1197等），但是這種設計的缺陷明顯，容易導致翅片脫落，原因是釬焊后焊腳的鋅含量過高導致提早腐蝕掉了。為了避免這個缺陷，所以市場上設計出了兩大類方法達到防止翅片提早脫落的目的。

第一種方法是通過采用輥壓工藝增加管帶的表面涂層如Siflux或是SiZnflux（如圖10），改善焊腳鋅濃度過高的問題，均衡鋅在表面濃度的分布。涂層的成份主要是硅顆粒，粘合劑和助焊劑。

與傳統(tǒng)NOCOLOK的冷凝器釬焊工藝流程相比，涂層扁管帶的NOCOLOK冷凝器工藝更加簡易，由于表面已有涂覆好的助焊劑，可以直接組裝，延后高溫200～400度的去膠（揮發(fā)掉粘合劑）2～3分鐘，直接釬焊。省去了傳統(tǒng)釬焊的加熱降脂，噴淋助焊劑干燥的過程。節(jié)省了工時，提高了效率。兩種工藝的對比流程如下圖11所示。

并且涂層扁管帶還可以省去翅片上符合4045釬焊釬料的工序。通過涂層硅顆粒和鋁合金集采發(fā)生反應形成Al-12%Si的共晶釬料，若在涂層中加入鋅，鋅在表面均勻分布還可以起到犧牲層的作用，減緩鋅在焊腳積聚，改善外部腐蝕翅片提早脫落的問題。涂層釬焊的原理如下圖12。

第二種方法是直接改善基材合金的抗腐蝕能力。取消電弧噴鋅的同時，在表面直接增加釬料4045或4343。這種合金我們統(tǒng)稱為長壽命鋁合金Al-Mn-Cu（簡稱LLA）。通過3003的合金成分的調整如Cu，Mg，Ti或Zr等元素的含量，冷滾軋和人工退火把退火狀態(tài)調整到釬焊前的H24狀態(tài)。我們通過20天的循環(huán)酸性海水腐蝕試驗（SWAAT），我可以發(fā)現(xiàn)普通的3003+Cu產生了點腐蝕，而LLA的腐蝕方向產生了改變，從縱向變成了橫向的層狀腐蝕，大大延長了腐蝕的壽命。原因是釬焊之后，通過元素的擴散和表面晶體的再結晶，會再材料表面性能一層扁平形晶體，層狀結構的布朗帶（如下圖14所示）。目前LLA長壽合金主要用在0.2～0.23mm厚度的折疊扁管上面。在多家外資企業(yè)已經廣泛應用。

5 總結

從各種提高冷凝器整體壽命的方法中，有犧牲陽極保護的方法：電弧噴鋅或者是涂覆SiZnflux改善鋅在表面的分布都可以提高冷凝器的抗外部腐蝕的壽命。我們還還可以通過改善芯體基材的成分，產生布朗帶，改變腐蝕方向延長腐蝕的時間來提高壽命，都是可取和有實際的效果的提高。另外也可以改變符合材料的組成結構譬如4層/5層多種復合材料，起到同時提高芯體基材和犧牲保護層的，滿足未來10-15年全壽命的抗外部腐蝕的要求。

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