水冷板加工工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

江 峰，汪正煒，張 波

應(yīng)用研究

水冷板加工工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

江 峰，汪正煒，張 波

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

針對(duì)水冷板加工工藝，基于理論分析，確定影響水冷板耐壓性能的因素，提出一種新的水冷板加工工藝。通過(guò)在ANSYS中建立水冷板的流固耦合仿真模型，對(duì)比分析工藝優(yōu)化前后水冷板耐壓性能，并結(jié)合試驗(yàn)對(duì)水冷板耐壓性能進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了水冷板加工工藝的優(yōu)化，耐壓性能提高了超過(guò)160%。

水冷板 加工工藝 耐壓性能 優(yōu)化

0 引言

隨著科技發(fā)展，電子器件功率密度不斷增加，而電子器件的可靠性與溫度緊密相關(guān)[1]，普通的風(fēng)冷已無(wú)法滿足要求。水冷因具有更高的散熱效率[2-4]，越來(lái)越多地用于功率器件的散熱。水冷板作為水冷散熱的主要部件，若發(fā)生泄露和變形，則將會(huì)損壞電子元器件。因此，水冷板結(jié)構(gòu)可靠性和耐壓性對(duì)電子元器件的正常工作具有重要意義。現(xiàn)階段的水冷板主要為銅或鋁質(zhì)，一般分別加工基板和蓋板，然后通過(guò)焊接的方式進(jìn)行連接。主要的焊接方式包括氣焊、釬焊、攪拌摩擦焊等[5]。長(zhǎng)期以來(lái)，部分學(xué)者對(duì)攪拌摩擦焊和釬焊等工藝進(jìn)行了研究[6-7]。釬焊是采用熔點(diǎn)低于焊件的釬料，利用液體釬料填充固態(tài)工件的方法，適合一些焊具無(wú)法觸及的部位；攪拌摩擦焊是采用高速旋轉(zhuǎn)的焊具與焊件摩擦令焊件局部熔化，并在焊具擠壓下形成質(zhì)量良好的焊縫。攪拌摩擦焊由于其生產(chǎn)成本較低、焊縫質(zhì)量穩(wěn)定性較好，現(xiàn)階段大部分水冷板的焊接均采用該焊接方式。但由于攪拌摩擦焊只能沿著水冷板基板與蓋板連接邊沿處進(jìn)行焊接，無(wú)法對(duì)基板內(nèi)部翅片與蓋板進(jìn)行焊接，水冷板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐壓性較差。本文基于理論分析，提出一種攪拌摩擦焊與釬焊混合焊接的水冷板加工工藝，并對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，為后續(xù)水冷板設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1 水冷板的耐壓性能理論分析

分析常用水冷板的結(jié)構(gòu)形式，其耐壓性能可以簡(jiǎn)化為兩端固定的梁的受力形式，其可等同于梁受均部載荷作用下的彎曲變形。其應(yīng)力方程為[8]:

式中：-結(jié)構(gòu)所受彎矩；W-抗彎截面模量。

水冷板所受彎矩為：

式中：-水冷板所受載荷；-水冷板跨距。

抗彎截面模量W為：

式中：-水冷板深度；-水冷板厚度。

上述可知，水冷板的耐壓性能主要受水冷板的材質(zhì)，厚度及跨距影響。當(dāng)水冷板設(shè)計(jì)定型后，其材質(zhì)和厚度均已固定。因此，改善水冷板加工工藝，優(yōu)化水冷板跨距是提高水冷板耐壓性能的必要途徑。

2 仿真分析模型

選取一結(jié)構(gòu)形式如圖1所示的水冷板，其材質(zhì)為紫銅。傳統(tǒng)的水冷板加工工藝為沿基板和蓋板一周進(jìn)行攪拌摩擦焊(FSW)。為提高水冷板的耐壓性能，提出一種攪拌摩擦焊(FSW)與釬焊混合焊接的新工藝，先采用釬焊將蓋板和基板焊接后，再采用攪拌摩擦焊(FSW)焊接四周。通過(guò)建立兩者加工工藝水冷板的仿真分析模型，對(duì)水冷板的耐壓性能進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1 水冷板仿真分析模型

兩種加工工藝的水冷板外形尺寸均為200 mm×100 mm×22 mm，內(nèi)部流道等結(jié)構(gòu)均一致。其中采用攪拌摩擦焊(FSW)加工工藝的水冷板蓋板與基板四周添加綁定接觸，采用攪拌摩擦焊(FSW)與釬焊混合焊接新工藝的水冷板蓋板與基板四周及基板肋片與蓋板接觸部位添加綁定接觸，仿真模型均采用基板底面安裝固定。

3 仿真計(jì)算

為比較新工藝與傳統(tǒng)工藝加工水冷板的耐壓性能，對(duì)比分析兩種加工工藝的水冷板在達(dá)到使用材料屈服強(qiáng)度(紫銅屈服強(qiáng)度70 MPa)條件時(shí)水冷板所能承受的內(nèi)部壓力。

3.1 傳統(tǒng)工藝水冷板仿真計(jì)算

水冷板加工傳統(tǒng)工藝為沿基板和蓋板四周進(jìn)行攪拌摩擦焊(FSW)，如圖2～3所示，為內(nèi)部壓力4 MPa和5 MPa水冷板的應(yīng)力分布云圖。由圖可知，最大應(yīng)力主要出現(xiàn)在蓋板上，在壓力為5 MPa時(shí)水冷板的應(yīng)力值達(dá)到85 MPa，已超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，攪拌摩擦焊(FSW)加工的水冷板耐壓性能為4 MPa。

圖2 內(nèi)部壓力4 MPa水冷板應(yīng)力分布云圖

圖3 內(nèi)部壓力5 MPa水冷板應(yīng)力分布云圖

3.2 新工藝水冷板仿真計(jì)算

水冷板加工新工藝為攪拌摩擦焊(FSW)與釬焊混合焊接，如圖4～5所示，為內(nèi)部壓力11 MPa和12 MPa水冷板的應(yīng)力分布云圖。由圖可知，最大應(yīng)力主要出現(xiàn)在肋片上，在壓力為12 MPa時(shí)水冷板的應(yīng)力值達(dá)到74 MPa，超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，攪拌摩擦焊(FSW)與釬焊混合焊接加工的水冷板耐壓性能為11 MPa。

圖4 內(nèi)部壓力11 MPa水冷板應(yīng)力分布云圖

上述仿真計(jì)算結(jié)果顯示，傳統(tǒng)攪拌摩擦焊(FSW)工藝加工的水冷板耐壓性能為4 MPa，而采用攪拌摩擦焊(FSW)與釬焊混合焊接新工藝加工的水冷板耐壓性能為11 MPa，新工藝的耐壓性能相對(duì)傳統(tǒng)工藝的水冷板耐壓性能提高了175%。

圖5 內(nèi)部壓力12MPa水冷板應(yīng)力分布云圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證攪拌摩擦焊(FSW)與釬焊混合焊接新工藝加工的水冷板耐壓性能，分別采用攪拌摩擦焊(FSW)與釬焊混合焊接新工藝和攪拌摩擦焊(FSW)傳統(tǒng)工藝加工兩種水冷板樣件進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。如圖6所示，因測(cè)量條件限制，試驗(yàn)時(shí)采用測(cè)量水冷板表面平面度指標(biāo)進(jìn)行判定，當(dāng)平面度大于0.2 mm時(shí)認(rèn)為水冷板失效。

圖6 平面度測(cè)量示意

兩種水冷板樣件進(jìn)行耐壓試驗(yàn)記錄如表1、表2所示，表1為攪拌摩擦焊(FSW)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，表2為攪拌摩擦焊(FSW)與釬焊混合焊接試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 攪拌摩擦焊(FSW)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)果表明，傳統(tǒng)攪拌摩擦焊(FSW)工藝加工的水冷板失效壓強(qiáng)為12 MPa；而采用攪拌摩擦焊(FSW)與釬焊混合焊接加工的水冷板失效壓強(qiáng)為32 MPa，相對(duì)傳統(tǒng)工藝的水冷板耐壓性能提高了167%，試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算基本一致。

表2 攪拌摩擦焊(FSW)與釬焊混合焊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)果分析

本文通過(guò)理論分析了水冷板耐壓性能的影響因素，提出一種水冷板攪拌摩擦焊(FSW)與釬焊混合焊接加工生產(chǎn)的新工藝。然后結(jié)合仿真計(jì)算和耐壓試驗(yàn)分析了攪拌摩擦焊(FSW)與釬焊混合焊接水冷板的耐壓性能，得到了采用攪拌摩擦焊(FSW)與釬焊混合焊接加工生產(chǎn)的水冷板相對(duì)傳統(tǒng)的攪拌摩擦焊(FSW)耐壓性能提升了超過(guò)160%。

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Optimization design of water-cooled plate welding process

Jiang Feng, Wang Zhengwei, Zhang Bo

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TH162

A

1003-4862(2022)04-0038-03

江峰（1993-），男，工程師。研究方向：電子設(shè)備冷卻設(shè)計(jì)。E-mail: 1308179575@qq.com

2021-08-21