汽車自動駕駛系統(tǒng)冷板散熱器真空釬焊工藝技術研究

潘 勇，李 剛

(貴州貴航股份公司永紅散熱器公司，貴州 貴陽 550009)

0 引言

汽車自動駕駛系統(tǒng)冷板散熱器作為汽車工業(yè)領域內(nèi)的一項前沿技術，正逐步由技術研發(fā)走向市場應用，具有廣闊的市場前景。該產(chǎn)品采用真空釬焊工藝進行制造，具有尺寸變形小、內(nèi)腔清潔的特點。同時，為避免產(chǎn)品的泄漏風險，對焊接質量提出了較高的要求。要求對焊接面進行超聲波檢測，流道沿周3 mm寬度范圍內(nèi)焊合率要求達到100%；其余部分焊合率要達到85%以上；爆破強度要求3 MPa以上。

1 技術難點分析

該產(chǎn)品底座及水嘴材料為6063，蓋板、內(nèi)翅片、釬料片為雙面包覆層復合材料4104/6063/4104。

焊接面分為蓋板與底座之間，內(nèi)翅片與蓋板、底座之間，水嘴與底座之間三個部分。

1.1 產(chǎn)品結構分析

蓋板與底座之間：底座為鍛件，由于底部多處局部鏤空，強度不足，焊接時容易出現(xiàn)局部塌陷；而翅片由于波形密集，強度較高，如果波高高于流道槽深度，即使在熱狀態(tài)下波高也難以被夾具壓低到理想的配合尺寸。因此容易造成蓋板與底座間的間隙過大，不能形成高質量焊接。從而達不到流道沿周3 mm寬度范圍內(nèi)焊合率100%的技術要求。

圖1 產(chǎn)品爆炸圖

內(nèi)翅片與蓋板、底座之間：內(nèi)翅片的高度與流道槽深度的尺寸匹配是關鍵，內(nèi)翅片高于流道槽則影響蓋板與底座之間的焊接，內(nèi)翅片若低于流道槽過多，超過釬焊間隙要求時則自身不能與蓋板之間形成高質量焊接。內(nèi)翅片為0.2 mm厚度的雙面包覆層材料，且波形密集，容易產(chǎn)生并帶粘連、熔蝕的焊接缺陷。焊接參數(shù)的窗口較窄。

管嘴與底座之間：管嘴與底座之間通過釬料片進行焊接，釬料片屬于雙面焊接。要求各零件之間形成精密的小間隙配合，管嘴與釬料片在無潤滑的條件下壓裝入管嘴孔。零件的加工和裝配的難度都較大。

1.2 焊合率對釬焊間隙的要求分析

真空釬焊對焊接間隙的要求極高。釬焊間隙越大，由于表面張力附加壓力越小，液態(tài)釬料所能爬升的高度也就越?。欢^大的釬焊間隙需要較多的釬料來填充， 當附加壓力小于液態(tài)釬料所受的重力時，液態(tài)釬料便不能填縫而形成未焊合缺陷[1]。 一般要求間隙小于0.05 mm。但該產(chǎn)品要求流道沿周3 mm寬度范圍內(nèi)的焊合率為100%，對間隙的要求提出了更高的要求。通過對試樣進行焊接，發(fā)現(xiàn)要保證這一焊合率要求，焊接面的間隙必須要小于0.02 mm。

1.3 爆破強度對焊接質量的要求分析

底座的空腔部分面積占到底座面積的70%以上，如果內(nèi)翅片的焊接強度或焊合率不高，則無法達到3 MPa的爆破強度要求。實驗證明，如果內(nèi)翅片的焊接不良，即使蓋板與底座焊接良好，產(chǎn)品的爆破強度也僅為1.4 MPa。

2 工藝控制要點

2.1 零件設計要點

底座的底部設計多個工藝凸臺，釬焊時起到支撐作用，焊后機加去除，避免底座變形而導致焊接間隙發(fā)生變化。

內(nèi)翅片成型后設置一道校平工序，將波高尺寸的一致性控制在0.02 mm以內(nèi)，波高按低于流道槽0～0.02 mm進行匹配設計和加工。

圖3 水嘴裝配示意圖

釬料片與底座孔和水嘴之間的釬焊面均按單邊間隙0.02 mm進行設計。釬料片厚度0.6 mm，翻邊間隙按0.45 mm進行設計，解決由于翻邊孔口部材料變薄而帶來的間隙增大問題。釬焊面采用20°錐形設計，解決小間隙無潤滑條件下的裝配困難問題。

2.2 釬焊夾具設計要點

夾具按每架20套產(chǎn)品疊放，產(chǎn)品與產(chǎn)品之間用石墨板間隔的方式進行設計，充分利用真空爐的高度，增大裝爐量。夾具采用不銹鋼和石墨板組合而成，既保證夾具具有足夠剛度，又盡量減小熱容量[2]。

夾具使用耐高溫彈簧壓料，彈簧的布置應保證產(chǎn)品受力平衡。在產(chǎn)品受熱膨脹及降溫收縮的過程中，彈簧應提供足夠的壓力以消除因釬料熔化后帶來的間隙變化。同時，也要避免夾緊力過大而造成產(chǎn)品變形。

圖4 夾具裝配示意圖

夾具設計時需考慮到鋁材受熱及釬料熔化后的尺寸變化。受熱膨脹量=熱膨脹系數(shù)×工件溫度差×工件尺寸。夾具設計在確定彈簧長度、夾具躲避孔尺寸等夾具參數(shù)時要考慮到工件和夾具的熱膨脹量系數(shù)差，避免工件在高溫時與夾具發(fā)生干涉而變形。實驗表明，釬料熔化、凝固后，釬料層的厚度會減小50%左右，因此，彈簧需要有一定的預壓量，預壓量要大于釬料層的減薄量。

2.3 釬焊參數(shù)

采用450 ℃、565 ℃、605 ℃、595 ℃四個階段進行升、降溫，試驗效果較好。在釬焊段快速升溫，縮短保溫時間，是避免內(nèi)翅片粘連、溶蝕的有效方法。控制夾具中部產(chǎn)品的釬焊保溫時間以工件溫度達到釬料液相線以上兩分鐘[3]并且整架產(chǎn)品溫差不超過3 ℃，釬焊段真空度小于1×10-3Pa，從而保證產(chǎn)品焊接質量的可靠性和一致性。

3 試驗分析

3.1 超聲檢測

從圖5可看出，深色的完全焊合區(qū)域覆蓋了整個流道8 mm沿周，焊合率達到100%。翅片的焊接反映出主要為焊接良好的深色和淺色，滿足85%的焊合率要求。翅片圖像清晰，無粘連現(xiàn)象。良好的焊接效果保證了產(chǎn)品的高強度和可靠性要求。

圖5 超聲波檢測圖像

3.2 金相檢測

對產(chǎn)品各處焊縫進行解剖、研磨、拋光，然后在顯微鏡下進行觀察。無明顯的溶蝕和未熔合等缺陷，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的共晶組織和偏聚物。

圖6 流道沿周剖面金相

3.3 爆破試驗

抽取數(shù)件試驗產(chǎn)品固定在爆破試驗臺上，對產(chǎn)品內(nèi)腔持續(xù)升壓，直至爆破。爆破壓力均在5 MPa以上。

圖7 爆破試驗

4 結論

1)對于高焊合率、高爆破強度要求的產(chǎn)品，釬焊間隙是保證產(chǎn)品達到要求的關鍵。間隙必須控制在0.02 mm以內(nèi)。產(chǎn)品、工藝、工裝的設計都要圍繞這一關鍵點進行控制。產(chǎn)品的結構強度不足會造成釬焊間隙發(fā)生變化，出現(xiàn)這一問題時，可通過產(chǎn)品上增加工藝凸臺或夾具上增加支撐來加以解決。

2)內(nèi)翅片的焊接質量對冷板類產(chǎn)品的爆破強度具有決定性作用。

3)冷板類產(chǎn)品的釬焊夾具可采用產(chǎn)品疊放式的結構進行設計，以盡可能的提高生產(chǎn)效率。結構設計上使產(chǎn)品保持受力平衡，在產(chǎn)品受熱膨脹以及釬料熔化后導致尺寸變化的過程中始終保持對產(chǎn)品的適當壓力是控制要點。

4)釬焊參數(shù)應保證釬料的充分熔化，產(chǎn)品溫差不宜過大。同時避免翅片粘連、溶蝕。