鋁制板翅式散熱器真空釬焊影響因素研究

張劍波 張權(quán)笠 李文輝

（貴州永紅換熱冷卻技術(shù)有限公司，貴州 黔南 550600）

0 前言

鋁制板翅式散熱器是目前國內(nèi)最先進的散熱器，它具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、散熱效率高、強度高以及適應(yīng)性強等優(yōu)點，在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣。真空釬焊技術(shù)為該種產(chǎn)品的核心工藝技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者對鋁及鋁合金真空釬焊機理、鋁散熱器真空釬焊工藝技術(shù)進行了大量研究，并取得了一批研究成果，但對鋁制板翅式散熱器真空釬焊工藝技術(shù)研究報道較少，國內(nèi)對鋁制板翅式散熱器真空釬焊工藝有些技術(shù)沒有完全掌握，在關(guān)鍵的生產(chǎn)工藝中還存在影響鋁制板翅式散熱器真空釬焊質(zhì)量及其穩(wěn)定性的問題[1]。鋁制板翅式散熱器真空釬焊對工藝過程條件的細微變化非常敏感，釬接板釬料層厚度和成分盡管都在規(guī)定的范圍內(nèi)，也經(jīng)常出現(xiàn)真空釬焊質(zhì)量的明顯不同，要想很好地控制鋁制板翅式散熱器真空釬焊時各工藝過程條件的變化，必須建立在了解鋁制板翅式散熱器真空釬焊各工藝過程條件之間關(guān)系的基礎(chǔ)上。因此，進行鋁制板翅式散熱器真空釬焊工藝技術(shù)的研究對提高鋁制板翅式散熱器真空釬焊質(zhì)量有非常重大的意義。該文主要從環(huán)境濕度和零件存放時間的變化，對鋁制板翅式散熱器零件表面狀態(tài)、釬焊縫質(zhì)量以及泄漏點數(shù)的影響做了研究和改善，找出它們之間的關(guān)系，為鋁制板翅式散熱器的生產(chǎn)提供了工藝方法和技術(shù)支持[2-3]。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗件的規(guī)格為150mm×94mm×68mm，試驗件由冷、熱邊封頭、冷、熱邊翅片、釬接板和側(cè)板6 種零件組成，試驗?zāi)覆倪x用3A21 和3003 鋁合金，釬接板材料為4004/3003/4004，如圖1 所示。

圖1 試驗樣件

1.2 試驗設(shè)備

試驗采用北京華海中誼公司的VAB-600A 真空鋁釬焊爐，主要技術(shù)指標如下。有效加熱區(qū)：4100mm×1000mm×1050mm，極限真空度：6.7×10-4Pa，加熱功率：600kW，壓升率：0.2Pa/h，最高溫度：700℃，最大裝爐量：4500kg；測濕度用的溫濕度計，量程為0%~90%，如圖2、圖3 所示。

圖2 真空釬焊爐

圖3 溫濕度計

1.3 試驗方法

1.3.1 材料表面狀態(tài)試驗

清洗2 片釬接板，一片烘干立刻密封保存，另一片放在濕度55%下存放30h。對2 片釬接板進行金相顯微鏡觀察和能譜分析表面狀態(tài)，主要分析含氧量和灰塵含量的變化。

1.3.2 樣件釬縫試驗

將每批試驗零件進行清洗，清洗好后放進45℃的恒溫烘干箱烘干2h。然后進行裝配、校正并且進爐真空釬焊。焊后對試驗樣件進行釬縫解剖分析，得出結(jié)論。

1.3.3 環(huán)境濕度、零件存放時間與產(chǎn)品焊后泄漏數(shù)關(guān)系試驗

在線跟蹤50 套產(chǎn)品（型號在500 到700 范圍內(nèi)），記錄環(huán)境濕度和零件存放時間。釬焊后統(tǒng)計釬焊縫泄漏數(shù)，用Minitab 15 工具對收集的數(shù)據(jù)進行分析，并做出環(huán)境濕度和零件存放時間跟產(chǎn)品焊后泄漏數(shù)的關(guān)系曲線。

1.3.4 工藝過程條件優(yōu)化試驗

對環(huán)境濕度和零件存放時間跟產(chǎn)品焊后泄漏數(shù)關(guān)系曲線進行優(yōu)化試驗，明確量化環(huán)境濕度和零件存放時間對產(chǎn)品真空釬焊質(zhì)量的影響。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 材料表面狀態(tài)對比

剛剛清洗完和清洗完在濕度55%下存放30h 的2 種材料表面狀態(tài)如圖4、圖5 所示。2 種狀態(tài)下材料表面的含氧量及狀態(tài)如圖6、圖7 所示。

圖5 濕度55%，存放30h 的零件表面狀態(tài)

圖6 清洗完成零件表面狀態(tài)

從圖4~圖7 可以看出，環(huán)境濕度及零件存放時間對零件表面灰塵和含氧量有非常大的影響，主要表現(xiàn)在以下2 個方面：1）濕度大，零件表面吸潮比較嚴重，會在零件表面形成更厚的氧化膜。2）零件存放時間越長，零件表面不僅吸潮，還會吸附很多臟東西和灰塵。在高溫下，濕氣及臟東西揮發(fā)，嚴重影響爐內(nèi)氣氛，進而嚴重影響釬焊質(zhì)量。3）在濕度為55%下存放30h 的干凈零件表面的含氧量是剛剛清洗完的零件表面的3~5 倍。

圖4 清洗完成零件表面狀態(tài)

圖7 濕度55%，存放30h 的零件表面狀態(tài)

2.2 樣件釬縫試驗

首先，當環(huán)境濕度為20%~40%時，零件存放時間對焊縫質(zhì)量的影響。當環(huán)境濕度為20%~40%，零件存放時間分別為10h、20h、40h、60h，樣件釬焊縫狀態(tài)如圖8~圖11 所示。

從圖8~圖10 可以看出，在濕度為20%~40%環(huán)境下存放10h、20h 跟存放40h 的釬焊縫沒太大區(qū)別，都能得到飽滿、致密的釬焊縫，這是由于零件放在濕度小的環(huán)境里，氧化膜增厚較慢，適當延長存放時間對氧化膜的增厚沒太大影響。但從圖11 可發(fā)現(xiàn)，釬焊縫有明顯孔洞，有顆粒狀，不均勻，不連續(xù)。這是由于零件存放時間太長，零件表面氧化膜較厚，釬焊時去膜較差，形成斷續(xù)、不致密的釬焊縫。由以上分析可得，當環(huán)境濕度為20%~40%，零件存放時間應(yīng)控制在40h 以內(nèi)。

圖11 存放60h 的焊縫狀態(tài)

其次，當環(huán)境濕度為50%~60%時，零件存放時間對焊縫質(zhì)量的影響。當環(huán)境濕度為50%~60%，零件存放時間分別為10h、20h、30h，樣件釬焊縫狀態(tài)如圖12~圖14 所示。

觀察圖12~圖14 可發(fā)現(xiàn)，圖12~圖13 的釬焊縫比較飽滿、致密，而圖14 的釬焊縫出現(xiàn)斷續(xù)孔洞。在相同的濕度條件下，圖12~圖14 的零件存放10h~20h，零件表面所吸附的灰塵雜質(zhì)比較少且生成的氧化膜也比較薄，釬焊時比較容易去膜，釬料得到潤濕、鋪展，所以能形成比較飽滿、致密的釬焊縫。相反，圖14 的零件存放30h，零件表面吸附了大量的灰塵雜質(zhì)且生成的氧化膜也比較厚，釬焊時去膜不充分，釬料得不到充分潤濕、鋪展，所以形成了斷續(xù)、不致密的釬焊縫，看上去像一條黑線。從以上分析可知，當環(huán)境濕度為50%~60%，零件存放時間應(yīng)控制在20h 以內(nèi)。另外，將圖8~圖10 與圖12~圖13 進行比較可以看出，在相同的零件存放時間下，濕度小的釬焊縫比濕度大的釬焊縫要飽滿、致密得多。

圖8 存放10h 的焊縫狀態(tài)

圖10 存放40h 的焊縫狀態(tài)

圖12 存放10h 的焊縫狀態(tài)

圖13 存放20h 的焊縫狀態(tài)

圖14 存放30h 的焊縫狀態(tài)

再次，當環(huán)境濕度為70%~80%時，零件存放時間對焊縫質(zhì)量的影響。當環(huán)境濕度為70%~80%，零件存放時間分別為10h、40h，樣件釬焊縫狀態(tài)如圖15~圖16 所示。

圖9 存放20h 的焊縫狀態(tài)

從圖15~圖16 可以看出，在濕度為70%~80%環(huán)境下存放10h 跟存放40h 的釬焊縫沒什么區(qū)別，釬焊縫明顯是一條“黑線”。對以上現(xiàn)象進行分析，在濕度為70%~80%的環(huán)境下，無論零件存放多少時間，零件表面都會形成一層很厚的氧化膜。氧化膜的增厚使鎂蒸氣的效果不能充分發(fā)揮，釬料的流動性降低，所以形成斷續(xù)、不致密的釬焊縫。因此，當環(huán)境濕度為70%~80%時，不適合進行真空釬焊。

圖15 存放10h 的焊縫狀態(tài)

圖16 存放40h 的焊縫狀態(tài)

2.3 環(huán)境濕度、零件存放時間與產(chǎn)品焊后泄漏數(shù)關(guān)系試驗

通過在線跟蹤50 套產(chǎn)品（型號在500 到700 范圍內(nèi)），記錄環(huán)境濕度和零件存放時間，釬焊后統(tǒng)計釬焊縫泄漏數(shù)，用Minitab 15 工具對收集的數(shù)據(jù)進行分析，并做出環(huán)境濕度、零件存放時間跟產(chǎn)品焊后泄漏數(shù)的關(guān)系曲線，如圖17 所示。

從圖17 可以看出，環(huán)境濕度≤50%時，產(chǎn)品泄漏數(shù)較少；50%≤環(huán)境濕度≤80%時，產(chǎn)品泄漏數(shù)大大增多，有2~9 個泄漏點，即最佳環(huán)境濕度是≤40%，環(huán)境濕度≥60%不利于產(chǎn)品真空釬焊質(zhì)量的保證。零件存放時間≤20h 時，產(chǎn)品泄漏數(shù)較少；20h ≤零件存放時間≤70h 時，產(chǎn)品泄漏數(shù)大大增多，有2~8 個泄漏點，即最佳零件存放時間是≤20h，存放時間≥20h 不利于產(chǎn)品真空釬焊質(zhì)量的保證。

2.4 工藝過程條件優(yōu)化試驗

該文試制了3 批共57 套產(chǎn)品進行工藝條件驗證試驗，具體工藝條件和產(chǎn)品焊后泄漏數(shù)見表1。

表1 工藝過程條件和產(chǎn)品泄漏數(shù)

從表1 可以看出，57 套產(chǎn)品的泄漏數(shù)在3~9，進一步驗證了最佳工藝過程條件，在此工藝過程條件下生產(chǎn)，完全能保證產(chǎn)品的真空釬焊質(zhì)量。

3 結(jié)論

環(huán)境濕度及零件存放時間對零件表面狀態(tài)有非常大的影響，主要是對零件表面灰塵和含氧量的影響。

在相同的環(huán)境濕度下，零件存放時間不同，產(chǎn)品釬縫飽滿程度也不同。零件存放時間具體要求：當環(huán)境濕度為20%~40%時，零件存放時間應(yīng)控制在40h 以內(nèi)；當環(huán)境濕度為50%~60%，零件存放時間應(yīng)控制在20h 以內(nèi)。

在相同的零件存放時間下，環(huán)境濕度不同，產(chǎn)品釬縫飽滿程度也不同。環(huán)境濕度具體要求：當環(huán)境濕度為20%~40%時，最適合產(chǎn)品真空釬焊；當環(huán)境濕度為50%~60%時，可以通過控制零件存放時間滿足產(chǎn)品真空釬焊；當環(huán)境濕度大于70%時，不宜進行真空釬焊。

圖17 環(huán)境濕度、零件存放時間與泄漏數(shù)的散點圖