鋁合金水冷散熱器真空釬焊常見缺陷及控制措施

楊懷德,肖 寧,2,張利生

(1.株洲中車奇宏散熱技術(shù)有限公司，湖南 株洲 412100；2.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412100)

鋁合金水冷散熱器因其高效散熱、綠色安全等特性，在軌道交通、航天航空、船舶、風(fēng)電等的散熱領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣。鋁合金水冷散熱器由基板、蓋板焊接而成，焊接成形方法主要有真空釬焊、Nocolok釬焊、攪拌摩擦焊等技術(shù)。其中 Nocolok釬焊技術(shù)有以下弊端[1]：釬焊前需要在釬焊面涂抹一層Nocolok釬劑，釬焊后難以完全除去散熱器流道中的釬劑，水冷散熱器的散熱效果穩(wěn)定性受限制。攪拌摩擦焊不適用復(fù)雜流道的焊接，經(jīng)濟(jì)性也不高；焊前的裝配精度要求高，焊后會(huì)留下匙孔[2]。真空釬焊因釬焊時(shí)無須添加釬劑、一次性可以釬焊多件散熱器，尤其適用于流道復(fù)雜的散熱器的焊接成形，故真空釬焊在水冷散熱器中應(yīng)用越來越廣泛。真空釬焊是指在一定的真空度下，將待焊件、釬料在工裝夾具鎖緊下，在高于釬料的液相線、低于母材的固相線的溫度進(jìn)行釬焊，液態(tài)釬料在毛細(xì)作用力下填充待焊件間隙，待溫度降低時(shí)釬料凝固將待焊件連接起來的一項(xiàng)焊接技術(shù)。

目前，對(duì)鋁合金釬焊的研究偏向于釬料的研發(fā)和工藝的試制[3-9]，而對(duì)某一類型的產(chǎn)品(例如水冷散熱器)的真空釬焊缺陷的種類、產(chǎn)生原因分析及其解決措施的研究較少。李偉等[10-12]總結(jié)了3A21鋁合金真空硬釬焊的常見缺陷及其產(chǎn)生原因，但未能完全描述鋁合金水冷散熱器的真空釬焊的缺陷。根據(jù)本公司二十余年的鋁合金水冷散熱器真空釬焊方面的經(jīng)驗(yàn)，本文總結(jié)了鋁合金水冷散熱器真空釬焊常見缺陷，并對(duì)缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，提出了有效的預(yù)防措施。

1 鋁合金水冷散熱器真空釬焊常見缺陷特征及其產(chǎn)生原因

1.1 氣孔

如圖1所示，氣孔是指焊縫上的孔洞。氣孔產(chǎn)生的主要原因是釬料選擇錯(cuò)誤，焊接前母材(即基板和蓋板)和釬料箔的清洗不徹底，未能有效去除油污、氧化物(含結(jié)晶水)或者烘干不徹底等導(dǎo)致的。在釬焊過程中，油污氣化、結(jié)晶水析出或釬料中低沸點(diǎn)元素?fù)]發(fā)，若真空度不夠，水冷散熱器內(nèi)部的氣體不能完全逸出，液態(tài)釬料凝固時(shí)氣體就留在焊縫中，形成一個(gè)個(gè)圓形的孔洞。

圖1 焊縫氣孔Fig.1 Weld porosity

預(yù)防措施:真空釬焊不應(yīng)選擇含低沸點(diǎn)元素的釬料；焊前將母材和釬料清洗干凈，烘干徹底；加熱過程中必須保證良好的真空度，在達(dá)到釬料固相線前，真空度務(wù)必低于10-3Pa。

1.2 漫流

漫流是指真空釬焊過程中，液態(tài)釬料溢出釬焊面的現(xiàn)象，如圖2所示。產(chǎn)生漫流的主要原因是釬焊溫度-時(shí)間曲線不當(dāng)、釬料量多、釬焊間隙大、工裝夾具熱容量大等。釬焊溫度-時(shí)間曲線不當(dāng)是指釬焊溫度過高或保溫時(shí)間過長，母材向液態(tài)釬料的溶解量大，釬焊間隙包攬不住液態(tài)釬料，導(dǎo)致液態(tài)釬料溢出至水冷散熱器表面；釬焊間隙大時(shí)，釬焊間隙對(duì)液態(tài)釬料的包攬效果不好，液態(tài)釬料易溢出；裝爐量多、工裝夾具笨重、熱容量大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致散熱器的冷卻速度慢，這相當(dāng)于延長了釬焊保溫時(shí)間。

圖2 漫流Fig.2 Overflow

預(yù)防措施：根據(jù)裝爐量、工裝等因素正確制定釬焊溫度-時(shí)間曲線，在保證釬著率的情況下，盡量降低釬焊溫度及保溫時(shí)間；選用合適厚度的釬料；通過控制基板、蓋板的平面度以及合適的裝夾力矩，保證釬焊間隙；通過優(yōu)化工裝選材及結(jié)構(gòu)，減小工裝的熱容量；適當(dāng)降低裝爐量。針對(duì)已發(fā)生漫流現(xiàn)象的產(chǎn)品，可以先通過整平散熱器，然后進(jìn)行機(jī)械加工去除該缺陷。

1.3 熔蝕

熔蝕是指真空釬焊過程中母材向液態(tài)釬料處熔入而在母材上留下的一個(gè)凹坑(如圖3所示)，直至液態(tài)釬料中鋁含量跟母材中鋁含量一致時(shí)熔蝕才會(huì)停止。熔蝕主要是釬料選型不當(dāng)、釬料量多、釬焊溫度不適宜等引起的。釬料選型不當(dāng)是指所選用釬料跟母材相互作用太強(qiáng)，母材向液態(tài)釬料溶解速度快，釬料量大也會(huì)加劇母材向液態(tài)釬料的溶解速度，易在母材留下凹坑；釬焊溫度過高或保溫時(shí)間過長時(shí)，也使母材向液態(tài)釬料的溶解量增大。

圖3 熔蝕Fig.3 Corrosion

采取措施：確保釬料選型正確，鋁合金真空釬焊可以選用4004鋁合金釬料，另外薄壁散熱器的釬料厚度不宜太厚；根據(jù)裝爐量、工裝等因素制定適宜的釬焊溫度-時(shí)間曲線，在保證焊合良好的前提下，盡量降低釬焊溫度或者保溫時(shí)間；在征得客戶及設(shè)計(jì)師的同意的前提下，可以采用熔焊方式補(bǔ)焊熔蝕處，避免產(chǎn)品報(bào)廢。

1.4 開裂

開裂是指真空釬焊加熱或冷卻過程中基板、蓋板分離的現(xiàn)象，如圖4所示。開裂主要與裝夾、內(nèi)應(yīng)力及釬縫性能等相關(guān)。裝夾力矩大時(shí)，未夾緊處在升溫過程中發(fā)生熱脹，使基板、蓋板分離，裝夾力矩越大，分離越嚴(yán)重；加熱速率和冷卻速率越大，散熱器內(nèi)外溫差越大，熱應(yīng)力越大，高溫時(shí)釬縫塑性低，較大的熱應(yīng)力下會(huì)撕裂釬縫；釬料選擇不當(dāng)時(shí)，釬縫處生成大量脆性相，在內(nèi)應(yīng)力作用下產(chǎn)生開裂，裂紋沿釬焊面擴(kuò)展。

圖4 開裂Fig.4 Cracking

采取措施：選用合適的裝夾力矩，裝夾力矩并不是越大越好；控制好升溫速率、降溫速率，盡量使內(nèi)應(yīng)力降低；選用合適的釬料，避免在釬焊中生成大量脆性相，推薦選用4004鋁合金釬料。

1.5 釬焊鼓包

釬焊鼓包是指釬焊過程中散熱器表面局部區(qū)域出現(xiàn)的圓形瘤狀物，如圖5所示。釬焊鼓包是由于母材材質(zhì)不均勻、釬焊溫度過高等引起的。母材材質(zhì)存在偏析現(xiàn)象，成分分布不均勻，局部區(qū)域低熔點(diǎn)物質(zhì)偏聚，在釬焊溫度接近該局部區(qū)域成分的固相線時(shí)，該區(qū)域高溫強(qiáng)度極低，在重力作用下，有向下淌的趨勢(shì)，故形成瘤狀物；當(dāng)釬焊溫度過高時(shí)，會(huì)加劇母材成分不均勻，加速鼓包。

圖5 釬焊鼓包Fig.5 Brazing bulging

采取措施：增加化學(xué)成分檢測(cè)的頻率，確保所使用的材料無成分偏析；在保證焊合良好的前提下，盡量降低釬焊溫度或保溫時(shí)間；針對(duì)已發(fā)生鼓包現(xiàn)象的產(chǎn)品，若鼓包量不大，在水浸超聲波檢測(cè)釬著率大于80%前提下，可以通過機(jī)械加工去除該缺陷。

1.6 焊合不良

焊合不良是指真空釬焊的釬著率低或者具有穿透性缺陷。引起焊合不良的主要原因有清洗不徹底、溫度控制不當(dāng)、環(huán)境濕度大、真空度低、基板與蓋板平面度差、粗糙度大等。清洗不徹底時(shí)，表面氧化物、油污未能除去干凈，導(dǎo)致液態(tài)釬料難以潤濕母材。溫度控制不當(dāng)包含兩個(gè)方面，一是釬焊溫度低或者保溫時(shí)間短，溫度未達(dá)到釬料的液相線以上，導(dǎo)致焊合不良；二是在釬料的固液相溫度所處時(shí)間過長，釬料部分熔化，先熔化的釬料溢出，導(dǎo)致未熔的部分熔點(diǎn)升高，即使在釬料的液相線溫度以上，釬料剩余部分也難以熔化，引起焊合不良。環(huán)境濕度大，導(dǎo)致抽真空速率低，真空度難以達(dá)到要求，將會(huì)導(dǎo)致液態(tài)釬料潤濕母材效果差。粗糙度過大時(shí)，焊合也會(huì)不良，加工痕跡太深處，釬料也難以填充滿。如圖6所示，水浸超聲檢測(cè)照片顯示盤型銑削加工痕跡。

圖6 焊合不良Fig.6 Poor welding

采取措施：清洗徹底，去除基板、蓋板、釬料表面的氧化物、油污等；確保溫度控制適宜，在釬料固相線下保溫適量時(shí)間，在固液相區(qū)間快速升溫；釬焊溫度應(yīng)高于釬料的液相線10 ℃～20 ℃；控制環(huán)境濕度在60%以下；確保在達(dá)到釬焊溫度前真空度低于1.3×10-3Pa；基板、蓋板的平面度應(yīng)適宜，兩者組合間隙應(yīng)小于釬料的厚度；將粗糙度控制在Ra3.2 μm以下。

1.7 泄漏

泄漏是指散熱器在進(jìn)行氣密試驗(yàn)檢測(cè)或者運(yùn)行過程中，發(fā)生漏氣或漏液的情況。水冷散熱器在出廠前的氣密試驗(yàn)檢測(cè)時(shí)如果發(fā)生泄漏，則該產(chǎn)品直接報(bào)廢；若是在運(yùn)行過程中發(fā)生泄漏，則不僅僅是報(bào)廢散熱器，還會(huì)導(dǎo)致其他事故。泄漏主要跟焊合不良、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等相關(guān)。焊合不良時(shí)，一種情況是有穿透性缺陷，將會(huì)直接導(dǎo)致泄漏。另一種情況是釬著率低，強(qiáng)度不夠，在氣密檢測(cè)壓力大，基板、蓋板會(huì)鼓包甚至?xí)毫褜?dǎo)致泄漏。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不良是指定位孔或者螺紋孔離流道太近，即使釬著率高，一旦螺紋孔或定位孔周圍焊合略有不良時(shí)，也易在螺紋孔或定位孔處泄漏，如圖7所示所示，定位孔離流道僅3 mm，導(dǎo)致定位孔處流道穿透了；另外若是基板、蓋板厚度太薄，或者材質(zhì)強(qiáng)度不夠而散熱器流道匯流區(qū)面積太大時(shí)，在氣密檢測(cè)壓力作用下，也會(huì)發(fā)生鼓包甚至撕裂，導(dǎo)致泄漏。

圖7 定位孔離流道太近造成的泄漏Fig.7 Leakage (locating hole is too close to flow passage)

采取措施：通過控制清洗過程、平面度、環(huán)境濕度、粗糙度、釬焊溫度-時(shí)間曲線等因素，努力提高釬著率；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需合理，盡量增大定位孔、螺紋孔與流道之間的距離；避免定位孔與流道之間存在穿透性缺陷，在不影響流量的前提下，盡量縮小流道匯流區(qū)面積；基板、蓋板厚度的選擇應(yīng)根據(jù)材質(zhì)、工作壓力、流道匯流區(qū)大小等來確定。

1.8 錯(cuò)位

錯(cuò)位是指真空釬焊過程，散熱器基板跟蓋板的位置有相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，蓋板不能完全覆蓋基板，如圖8所示。錯(cuò)位主要跟工裝夾緊力、裝配等相關(guān)。釬焊前裝配工序不細(xì)致，焊前就已錯(cuò)位；工裝夾緊力不夠或無夾緊力時(shí)，若真空釬焊爐水平度不夠，基板跟蓋板之間的釬料熔化時(shí)，兩者之間的摩擦阻力小，在重力沿釬焊面的分力作用下，會(huì)有一個(gè)橫向移動(dòng)。

圖8 錯(cuò)位Fig.8 Dislocation

采取措施：焊前裝配務(wù)必細(xì)致認(rèn)真，確保無錯(cuò)位情況；進(jìn)爐前再次確認(rèn)無錯(cuò)位情況；裝夾時(shí)，采用一定的鎖緊力，避免在真空釬焊過程中基板、蓋板之間的橫向移動(dòng)；采取裝配定位銷工藝；針對(duì)已錯(cuò)位產(chǎn)品，在征得客戶及設(shè)計(jì)師的允許下，可以采用熔化焊進(jìn)行補(bǔ)焊，還可以將蓋板加工去除，重新進(jìn)行真空釬焊。

1.9 變形

變形是指在真空釬焊加熱或冷卻過程中，水冷散熱器內(nèi)部與外部溫度不一致，在溫度差下發(fā)生不均勻的形變。變形主要跟加熱速率、冷卻速率、夾緊力、工裝剛性等相關(guān)。加熱速率、冷卻速率越大，水冷散熱器內(nèi)外層溫差越大，熱應(yīng)力越大，形變量越大；工裝剛性越低、夾緊力矩越低，夾具面平面度越差，形變量也越大。

采取措施：盡量降低升溫速率、冷卻速率，或者在加熱過程中，多設(shè)置幾個(gè)保溫段，以讓水冷散熱器內(nèi)外部溫度差盡可能小，降低熱應(yīng)力，以期降低變形量；工裝夾具選材時(shí)，采用高溫強(qiáng)度高的材質(zhì)，另外工裝結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能增大剛度，夾具平面度應(yīng)盡可能好；裝夾時(shí)，應(yīng)按一定順序進(jìn)行螺栓緊固，使散熱器受力均勻，另外盡可能地增加夾緊力矩；不可以在高溫下拆夾具，應(yīng)保證散熱器在夾具夾緊下冷卻至50 ℃以下；針對(duì)變形量超差產(chǎn)品，真空釬焊完畢后可以增添一道整平工序。

1.10 流道堵塞

如圖9所示，流道堵塞是指釬料堆積在水冷散熱器流道里的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)將流道堵死。流道堵塞主要與釬料量、流道設(shè)計(jì)及基板、蓋板位置擺放相關(guān)，甚至還跟釬焊溫度過高有關(guān)。釬料量多且流道窄小時(shí)，液態(tài)釬料會(huì)沿著流道高度方向流動(dòng)。真空釬焊釬料上升理論高度為2σcosθ/(ρgD)，其中σ為液態(tài)釬料界面張力，θ為液態(tài)釬料對(duì)流道壁的潤濕角，ρ為液態(tài)釬料密度，g為重力加速度，D為流道寬度若流道寬度越小，液態(tài)釬料上升高度越大，堵塞流道可能性越大；另外，在真空釬焊組裝過程中，若流道面在釬料面下方，液態(tài)釬焊流向流道時(shí)作用力不僅僅有毛細(xì)作用力，還會(huì)受到重力作用；當(dāng)釬焊溫度過高時(shí)，母材與液態(tài)釬料的相互作用更強(qiáng)，母材向液態(tài)釬料的溶解量更多，這相當(dāng)于將釬料量增大了。

圖9 流道堵塞Fig.9 Flow passage blockage

采取措施：將釬料的厚度減薄，例如由0.2 mm降至0.1 mm；可將釬料片沿流道走向進(jìn)行切割去除，以減少釬料量；更改流道設(shè)計(jì)，在不影響散熱效果前提下，將流道設(shè)計(jì)得更寬及更高；釬焊時(shí)，流道面應(yīng)在釬料面上方，這可以避免液態(tài)釬料因重力作用下流入并堆積流道；釬焊溫度應(yīng)適宜，避免母材過多地溶解于液態(tài)釬料中；針對(duì)微流道結(jié)構(gòu)散熱器，可用真空擴(kuò)散焊代替真空釬焊。

2 結(jié) 論

鋁合金水冷散熱器真空釬焊常見缺陷有氣孔、漫流、熔蝕、裂紋、釬焊鼓包、焊合不良、泄漏、錯(cuò)位、變形、流道堵塞等。缺陷的產(chǎn)生主要與環(huán)境濕度、溫度曲線、釬料、平面度、表面粗糙度、真空度、清洗、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工裝、夾緊力矩等相關(guān)。針對(duì)不同缺陷制定了適宜的控制措施，并取得良好的效果。