液冷側(cè)板開裂故障診斷分析*

羅 錫，朱光輝，張紅娟

(航空工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

隨著電子系統(tǒng)綜合化程度的不斷提高，計算機的性能及運行速度也在不斷提升，計算機的CPU及其它高集成芯片在高速運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生熱量，當大量的熱量聚集，計算機系統(tǒng)溫度過高或者散熱不暢時，就會出現(xiàn)死機或者運轉(zhuǎn)不正常等現(xiàn)象，嚴重影響整機的戰(zhàn)斗力和可靠性。采用散熱性好、強度高的鋁合金密封結(jié)構(gòu)的液體冷卻方式來解決高性能機載計算機散熱問題已成為首選方案。因此計算機液冷結(jié)構(gòu)件使用過程中安全可靠，是確保計算機液體冷卻方式實現(xiàn)的關(guān)鍵。筆者通過對液冷側(cè)板開裂故障分析，查找故障發(fā)生原因，通過糾正措施解決液冷側(cè)板使用可靠性問題。

1 故障件描述及診斷分析

某型計算機液冷側(cè)板在調(diào)試過程中，經(jīng)歷關(guān)出口斷液，入口連續(xù)通液，關(guān)閉入口過程后，發(fā)現(xiàn)側(cè)板液冷側(cè)板開裂漏液失效故障。經(jīng)過查看液冷側(cè)板已鼓起，側(cè)板拔出后發(fā)現(xiàn)液冷側(cè)板面板安裝面焊縫裂開，如圖1所示，焊縫裂開，裂開縫隙長度95 mm，最寬處0.7 mm。

圖1 液冷側(cè)板組件結(jié)構(gòu)圖 圖2 液冷側(cè)板有限元模型

1.1 強度分析

1.1.1 正常工作壓力

在正常工作情況下，液壓系統(tǒng)供液壓力最大不超過1 MPa，進入到側(cè)板的液體壓力最大亦不會超過1 MPa。通過有限元分析，對側(cè)板內(nèi)部施加1 MPa的壓力，進行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布分析。對側(cè)板與結(jié)構(gòu)強度無關(guān)的細小特征進行適當簡化，內(nèi)部流道細節(jié)未簡化。模型零件材料物理屬性[1],材料名稱：6061鋁合金，彈性模量：68.3 GPa，泊松比：0.33，密度：2 700 kg/m3：σb抗拉強度310 MPa，σs屈服強度276 MPa，有限元模型見圖2所示。

1 MPa工作壓力下有限元分析結(jié)果如圖3所示，最大應(yīng)力為21.4 MPa，最大位移1.53e-3 mm。

圖3 1 MPa應(yīng)力分布和位移分布

1.1.2 設(shè)計極限壓力

側(cè)板的設(shè)計極限為2.5 MPa，側(cè)板在正常工作的情況下是不會達到此壓力的，但是在側(cè)板拔出機架后，側(cè)板處于密封狀態(tài)，液體不會滲出，隨著溫度的升高，側(cè)板內(nèi)液體體積不變，壓力會逐漸增加，當達到一定壓力，如果不及時泄壓，可能會對側(cè)板結(jié)構(gòu)件及液冷接頭造成損壞。對側(cè)板內(nèi)部施加2.5 MPa的壓力，進行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布分，分析結(jié)果如圖4所示，最大應(yīng)力為53.5 MPa，最大位移3.82e-3 mm。通過仿真分析，內(nèi)部壓力2.5 MPa以內(nèi)，液冷側(cè)板強度滿足設(shè)計指標。

圖4 2.5 MPa應(yīng)力分布和位移分布

1.2 材料分析

液冷側(cè)板框體和蓋板材料均采用6061鋁合金，根據(jù)GB/T3190-2008對6061鋁合金成分進行分析，分析檢測報告結(jié)果顯示材料符合標準要求。

液冷側(cè)板真空釬焊釬料AlSiCuMg，釬料標準為《鋁合金中溫釬料》標準。根據(jù)對液冷側(cè)板用釬料的成分分析，檢測報告結(jié)果顯示成分符合標準要求。

1.3 焊接分析

1.3.1 焊接工藝分析

液冷側(cè)板由1框體和蓋板經(jīng)真空釬焊焊接而成，考慮框體和蓋板由于在高溫時的變形不同，在液冷側(cè)板釬焊時采用墊板、矩形夾、方鋼的裝夾方式，裝夾示意如圖5所示，該裝夾方式在工藝文件中有明確規(guī)定，實際焊接時液冷側(cè)板采用的裝夾方式與該工藝附圖一致。

液冷側(cè)板在爐中擺放方式在工藝文件中有規(guī)定，如圖5所示，均是蓋板面朝下，便于焊料的流動，同時與框體的散熱筋之間容易形成焊接圓角，實際液冷側(cè)板焊接件剖切后顯示該擺放方式能較好的在焊縫處形成圓角。

圖5 工藝規(guī)定裝夾方式

液冷側(cè)板組件的材料為6061鋁合金，采用真空釬焊焊接而成，焊料采用鋁合金中溫AlSiCuMg，鋁合金中溫釬料標準推進釬料參考熔點506～568 ℃。根據(jù)液冷側(cè)板的結(jié)構(gòu)特點，參照鋁合金箱體真空釬焊操作工藝規(guī)范，選定的工藝焊接溫度為582 ℃。依據(jù)美國軍用規(guī)范MIL-B-7883B《鋼、銅、銅合金、鎳合金、鋁及鋁合金的釬焊》中對6061的釬焊溫度要求，6061鋁合金最高釬焊溫度不得大于1100 ℃，即593.3 ℃[2]，液冷側(cè)板焊接溫度582 ℃符合MIL-B-7883B工藝符合規(guī)范要求。

通過對故障件液冷側(cè)板組件編號201811005的真空釬焊工作記錄表清查，釬焊溫度582 ℃，真空釬焊真空度1×10-3Pa，真空釬焊過程符合規(guī)范要求，同一爐共釬焊六件，編號為：201811002、201811003、201811005、201811006、201811007、201811010，焊接過程未發(fā)現(xiàn)異常情況。

1.3.2 焊接質(zhì)量分析

液冷側(cè)板釬焊用釬料AlSiCuMg，釬料熔點506～568 ℃，焊接工藝焊接溫度為582 ℃，焊接溫度超過釬料液相線14 ℃左右，真空釬焊工藝能夠確保液冷側(cè)板裝夾的AlSiCuMg釬料充分熔化。根據(jù)對采用該工藝焊接的液冷側(cè)板進行超聲波C掃描檢測，掃描檢測未發(fā)現(xiàn)問題。

針對液冷側(cè)板釬焊情況，對采用582 ℃進行真空釬焊的釬焊件進行了過燒檢測，理化檢測中心報告如圖6,依據(jù)檢測報告結(jié)果，未發(fā)現(xiàn)過燒。

圖6 過燒檢測報告

對液冷模塊用焊料進行金相分析、對故障件開裂區(qū)域、故障件未開裂區(qū)域進行SEM&EDS檢測分析[3]。焊料金相如圖7所示，金相中各特征分布均勻，無聚集偏析現(xiàn)象，焊料均勻。

圖7 焊料金相圖

對液冷側(cè)板進行破開，斷面如圖8所示，開裂處的斷口進行SEM&EDS分析，如圖9所示，開裂處斷口SEM&EDS分析，如圖10所示。

圖8 液冷側(cè)板破開斷面

圖9 未開裂處SEM&EDS分析

圖10 開裂處斷口SEM&EDS分析

從分析結(jié)果來看，開裂各處元素成分基本一致，焊料熔化后流動均勻。

對開裂處的截面進行金相分析，開裂處截面金相圖如圖11所示，開裂從焊縫中部開裂，說明焊料在焊接時與蓋板和底座的母材結(jié)合充分，焊接良好。

圖11 開裂處截面金相圖

1.4 加工分析

液冷側(cè)板真空釬焊后工藝復(fù)雜，需進行熱校平、真空氣淬、時效、數(shù)銑、打壓、沖洗等一系列生產(chǎn)工藝過程，加工和檢測過程記錄完整，未發(fā)現(xiàn)異常情況。

通過對故障件的硬度檢測，HR15T表面洛氏硬度達到6061鋁合金氣淬時效的T6要求，表明真空氣淬無問題，硬度符合圖紙要求。

通過超聲波測厚儀對故障件的壁厚進行檢測，由于外部帶散熱齒無法檢測，僅對內(nèi)部進行壁厚檢測，壁厚尺寸波動在公差0～+0.1范圍內(nèi)，表明數(shù)控加工無問題，滿足圖紙要求。

1.5 使用分析

液冷產(chǎn)品正常使用情況下為入口及出口接頭均為接通狀態(tài)，液體流經(jīng)入口接頭進入機架后框，后框?qū)⒁后w根據(jù)側(cè)板功耗分配至每個功能液冷側(cè)板，故障件在用戶單位使用狀態(tài)一直為正常使用。故障前需要拔出液冷側(cè)板，拔出液冷側(cè)板前先將機架出口接頭管路中閥門關(guān)閉，再關(guān)閉機架入口接頭管路閥門，再進行管路泄壓操作，發(fā)現(xiàn)機架已有液體滲出，檢查后定位于側(cè)板泄漏。通過其實際操作過程分析發(fā)現(xiàn)，先關(guān)出口，再關(guān)入口，導(dǎo)致關(guān)閉出口后，供液端繼續(xù)供液，液冷側(cè)板內(nèi)部壓力因后端封閉，前端連續(xù)給壓，模塊內(nèi)部形成密封壓力倉，模塊運行芯片發(fā)熱，導(dǎo)致內(nèi)部壓力不斷升高，液冷側(cè)板因超壓導(dǎo)致開裂。

為了驗證該操作過程會導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)故障，將一件液冷側(cè)板拔出后進行加電調(diào)試，模塊在調(diào)試過程中隨著溫度的升高壓力迅速升高，最終模塊出現(xiàn)鼓包，故障復(fù)現(xiàn)。為了避免液冷側(cè)板內(nèi)部壓力在各種狀態(tài)下處于產(chǎn)品許可壓力之下，應(yīng)通過設(shè)計泄壓裝置預(yù)防超壓現(xiàn)象的發(fā)生。

2 結(jié) 語

通過對液冷側(cè)板設(shè)計強度，焊接質(zhì)量，加工過程，零件材料，產(chǎn)品使用等方面的分析，排除設(shè)計、焊接、加工、材料的問題，造成此故障原因為使用過程中的人為操作順序失誤，導(dǎo)致模塊內(nèi)壓力過大從而模塊鼓包開裂。

通過設(shè)計三種泄壓裝置，機箱式泄壓裝置，簡易泄壓裝置，泄壓盒類似于泄壓機箱，現(xiàn)場配置使用，模塊從機架中拔出后必須采用泄壓裝置進行泄壓處理，防止類似故障再次發(fā)生。長期考慮，應(yīng)設(shè)計和使用泄壓接頭確保液冷側(cè)板任何正常狀態(tài)都不會超壓，確?？煽啃浴?/p>