鋁合金錯位翅片型水冷散熱器真空釬焊工藝

楊懷德， 肖 寧， 賈世童， 唐小堂， 謝華清， 馬 良

株洲中車奇宏散熱技術有限公司，湖南 株洲 412100

0 引言

鋁合金水冷散熱器具有高效散熱、加工簡單、綠色安全等特性，廣泛應用于軌道交通、風電、船舶、重型機械等的散熱領域，而鋁合金錯位翅片型水冷散熱器因翅片對液流的紊流效果顯著，換熱系數(shù)更高［1-2］，其在散熱領域的應用將會越來越廣。錯位翅片屬于間斷型翅片，即沿流體流動方向是間斷的且是錯位排列的。目前，國內(nèi)外針對鋁合金水冷散熱器的焊接成形工藝已較為成熟，主要有真空釬焊、Nocolok 釬焊、攪拌摩擦焊等［3-4］，更多的研究是針對鋁合金釬焊缺陷、釬焊性能、新焊料開發(fā)或換熱器、機箱等具體結構的釬焊工藝。例如，王振江等［5］對6063鋁合金真空釬焊的性能進行了研究，于文華等［6］研究了鋁合金真空釬焊新焊料Al19Cu9Si對母材潤濕性及性能的影響，劉志杰等［7］研究了合金元素Cu、Si 對鋁基釬料的影響，梁寧等［8］對6063鋁合金真空釬焊氣淬組織及性能進行了研究，焦坤等［9］對某類型機箱的真空釬焊工藝進行了研究，李亞琴等［10］研究了某機車換熱器真空釬焊工藝，而對鋁合金錯位翅片型水冷散熱器的真空釬焊工藝研究較少。該類型水冷散熱器因基板厚重以及放入的翅片高度高于基板釬焊面0.25～0.3 mm，易引起真空釬焊工藝不穩(wěn)定，常因焊合率低、漏水等原因而報廢，合格率僅為30%～40%，導致成本居高不下，給企業(yè)帶來嚴重的經(jīng)濟損失。

本文主要研究鋁合金錯位翅片型水冷散熱器真空釬焊工藝，為批量生產(chǎn)提供技術借鑒。

1 試驗材料及方法

錯位翅片型水冷散熱器結構如圖1 所示，每件散熱器有4 片翅片?；?、上蓋板、下蓋板、翅片材料均為3003鋁合金，其化學成分及固液相溫度見表1?；迮c下蓋板之間采用0.2 mm 厚的4104 釬料進行連接，4104釬料化學成分及固液相線見表2，該釬料的釬焊溫度為595～615 ℃。為防止釬料堵塞翅片而導致流阻增大，翅片與基板之間、翅片與上蓋板之間采用0.8 mm 厚的4104/3003/4104 復合釬料板進行連接，該復合釬料板的復合比為11%±2%。焊前基板、上蓋板、下蓋板平面度均需小于0.15 mm，翅片高度需要高于基板0.25～0.3 mm。焊前各件需要進行清洗，清洗順序為超聲波除油—堿洗—酸洗—烘干，超聲波除油所用溶劑為金屬清洗劑，為弱堿性物質(zhì)，清洗完畢的產(chǎn)品進行裝夾，每垛5層散熱器，共6垛，在不同的溫度曲線、裝夾力矩、工裝結構情況下進行真空釬焊。真空釬焊設備型號為VAB-200，真空度需要優(yōu)于1.0×10-3Pa，真空釬焊完畢按《QJ2844鋁及鋁合金硬釬焊技術條件》I級焊縫進行水浸超聲檢測釬著率，水浸超聲檢測設備型號為UT-ARS100，超聲波檢測頻率為10 MHz，探頭直徑15mm，以及進行1 MPa的氮氣氣密性試驗檢測。

表2 4104釬料化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）及固液相線溫度Table 2 Chemical composition （wt.%） and solid-liquid phase temperature of 4104 solder

圖1 錯位翅片型水冷散熱器結構示意Fig.1 Structural diagram of staggered finned water-cooled radiator

2 試驗結果與分析

2.1 溫度曲線對釬著率的影響

某型號的鋁合金錯位翅片水冷散熱器在油壓設備壓緊下，用夾具固定，然后送入真空釬焊爐進行釬焊，在中間散熱器的進出水口位置插入工件熱偶，溫度曲線如圖2所示，圖中①為爐膛熱偶升溫曲線，②為工件熱偶升溫曲線。設置爐膛溫度為575 ℃，爐膛升溫速率為15 ℃/min，待工件熱偶溫度T1為540 ℃時，將爐膛溫度設置由575 ℃下調(diào)到555 ℃，保溫時間t1為50 min；然后設置爐膛溫度為625 ℃，待工件熱偶溫度T2達到599 ℃，保溫時間t2為30 min 后停止加熱，待工件溫度低于450 ℃時出爐冷卻，進行水浸超聲波檢測。真空釬焊時，鉻鎳合金加熱帶產(chǎn)生輻射熱，釬焊爐爐膛及散熱器外層接受輻射熱，散熱器通過熱傳導將表面接受的輻射熱傳遞至內(nèi)部。

圖2 鋁合金錯位翅片型水冷散熱器真空釬焊溫度曲線Fig.2 Vacuum brazing temperature curve of aluminum alloy staggered fin type water-cooled radiator

水浸超聲檢測的圖片見圖3，翅片面的釬著率為43.6%，非翅片面的釬著率為87.2%。由圖可知，四周釬著情況良好，而中心位置釬著不良，缺陷貫穿至流道，若缺陷處有螺紋孔存在，則在氣密性試驗時就會發(fā)生泄漏；另外，焊合率低，在1 MPa 的檢漏壓力下極易出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象。分析原因：工件熱偶溫度只能提供一個參考溫度，并不代表散熱器中心溫度，四周焊合情況良好而中心釬著不良的原因是溫度太低，或者在釬焊溫度下的保溫時間太短，中心位置因溫度未達到591 ℃釬料液相線僅局部融化，故中心位置焊合情況不及四周。

圖3 水浸超聲波檢測圖片F(xiàn)ig.3 Image of water immersion ultrasonic testing

針對圖3缺陷，在其他條件相同的情況下，僅增加釬焊溫度，將釬焊溫度由599 ℃增至600 ℃，溫度曲線為：工件熱偶溫度T1為540 ℃時，保溫時間t1為50 min；工件熱偶溫度T2達到600 ℃，保溫時間t2為30 min。該溫度曲線下真空釬焊產(chǎn)品的水浸超聲波檢測圖片如圖4 所示，翅片面的釬著率為86.1%，非翅片面的釬著率為89.3%。從圖中可以看出中心位置的焊合情況有較大的改善，尤其是翅片面的釬焊情況改善良好，缺陷面積明顯縮小，且缺陷未與流道貫穿；另外，圖4 中心位置還有較小缺陷，該缺陷的產(chǎn)生與圖3原因一致。

圖4 釬焊溫度調(diào)整后散熱器水浸超聲波檢測圖片F(xiàn)ig.4 Image of radiator immersion ultrasonic testing after adjusting brazing temperature

針對圖4缺陷，在上述其他條件相同情況下，僅增加釬焊保溫時間，保溫時間由30 min 增至60 min，溫度曲線為：工件熱偶溫度T1為540 ℃時，保溫時間t1為50 min；工件熱偶溫度T2達到600 ℃，保溫時間t2為60 min。該溫度曲線下真空釬焊產(chǎn)品的水浸超聲波檢測圖片如圖5 所示，翅片面的釬著率為95.2%，非翅片面的釬著率為94.3%。從圖片可以看出，翅片面與非翅片面的焊合情況均良好，兩釬焊面幾乎無缺陷。這也驗證了圖3、圖4缺陷產(chǎn)生的原因是釬焊溫度較低或者釬焊保溫時間較短。

圖5 釬焊保溫時間調(diào)整后散熱器水浸超聲波檢測圖片F(xiàn)ig.5 Image of radiator immersion ultrasonic testing after adjusting the holding time

綜合圖3～圖5 可知，真空釬焊溫度偏低或釬焊保溫時間偏短時，隨著釬焊溫度的升高或者釬焊保溫時間的延長，真空釬焊質(zhì)量會隨之改善，制定溫度曲線規(guī)則在盡可能保證釬焊質(zhì)量的前提下，降低釬焊溫度或縮短保溫時間，以節(jié)約電能。

2.2 裝夾扭矩對釬著率的影響

研究溫度曲線對錯位翅片型水冷散熱器釬著率的影響是在裝夾過程中是用油壓設備壓緊下進行緊固的，油壓壓緊工序復雜且費時，為使工序簡化以節(jié)約成本，計劃取消油壓壓緊，直接采用螺栓緊固，本節(jié)研究內(nèi)容是裝夾扭矩對散熱器的釬著率影響，為避免其他因素影響，本節(jié)研究內(nèi)容是在同一爐中進行釬焊，該爐的溫度曲線為：工件熱偶溫度T1為540 ℃時，保溫時間t1為50 min，工件熱偶溫度T2達到600 ℃，保溫時間t2為60 min。圖6分別為螺栓緊固力矩40 N·m、80 N·m、100 N·m、120 N·m情況下真空釬焊的散熱器翅片面的水浸超聲波檢測照片，焊合率分別為57.3%、68.2%、92.1%、95.6%。在40 N·m裝夾扭矩下，散熱器中心焊合情況不良，且缺陷貫穿至流道上，若缺陷處有螺紋孔則會發(fā)生泄漏；在80 N·m裝夾扭矩下，焊合情況略優(yōu)于40 N·m裝夾扭矩，散熱器中間已釬透，缺陷未貫穿至流道；在100 N·m、120 N·m 裝夾扭矩下，散熱器焊合情況良好，幾乎無缺陷。隨著工裝裝夾力矩的增大，釬著率呈現(xiàn)上升趨勢。

圖6 不同緊固力矩散熱器水浸超聲波檢測照片F(xiàn)ig.6 Image of radiator immersion ultrasonic testing with different tightening torques

2.3 工裝結構對釬著率的影響

在采用2.2 節(jié)溫度曲線、裝夾力矩120 N·m 情況下釬焊，最上層散熱器在翅片面出現(xiàn)局部小缺陷的機率為40%～50%，如圖7 所示，焊合率為89.3%。該缺陷很有規(guī)律，共有4處，每處長度、寬度一致，與工裝形狀大致對應，因為工裝外形呈井字狀（見圖8），筋條壓緊處焊合良好，而非壓緊處的蓋板在釬焊溫度下發(fā)生熱脹而無法貼近基板，導致釬焊不良。針對上述分析，在井字狀工裝與散熱器之間墊放一板狀均力工裝，板狀均力工裝材質(zhì)可以是石墨板，也可以是不銹鋼板甚至純鋁板，厚度要求大于15 mm，該工裝可以將力矩均勻地分布在散熱器蓋板上。加墊此工裝進行真空釬焊，將上層散熱器進行水浸超聲波檢測，如圖9 所示，翅片面無缺陷，焊合率為97.6%。

圖8 真空釬焊用井字狀工裝示意Fig.8 Diagram of well shaped tooling for vacuum brazing

圖9 有均力工裝第一層散熱器水浸超聲波檢測圖片F(xiàn)ig.9 Image of ultrasonic testing for the first layer of radiator with uniform force tooling under water immersion

2.4 錯位翅片型水冷散熱器真空釬焊工藝

針對此類錯位翅片型水冷散熱器，真空釬焊工藝為：工件熱偶溫度T1為540 ℃時，保溫時間t1為50 min，工件熱偶溫度T2達到600 ℃，保溫時間t2為60 min，裝夾力矩120 N·m；在井字狀工裝與散熱器之間墊放一塊板狀均力工裝。按此工藝進行真空釬焊，批量生產(chǎn)749 件，平均釬著率高達90%，檢漏合格率高達99.19%。應當關注的是，釬焊爐、材質(zhì)、裝爐量、裝夾工裝不同，溫度曲線應適當調(diào)整。

2.5 力學性能

釬焊前后分別進行基板材料拉伸試驗與硬度試驗，力學性能數(shù)據(jù)見表3。散熱器真空釬焊后，力學性能較母材而言有所下降，抗拉強度下降比例為27.2%，規(guī)定非比例延伸強度下降比例為34.1%，延伸率下降比例為6.6%，硬度下降比例為32.2%，但是仍然高于國標（GB/T3880.2）規(guī)定值?？估瓘姸?、規(guī)定非比例延伸強度、硬度下降的主要原因是散熱器在真空釬焊過程中相當于進行了退火處理，原來的冷加工硬化效果消除，而延伸率微小降低的原因可能是在真空釬焊過程中母材長時間處于600 ℃，晶粒粗化而使塑性降低。

表3 3003材料釬焊前后力學性能對比Table 3 Comparison of mechanical properties of 3003 material before and after brazing

3 結論

（1） 溫度曲線、工裝裝夾力矩、工裝結構對錯位翅片型水冷散熱器的釬著率有顯著影響。

（2）隨著釬焊溫度和工裝裝夾力矩的增大，釬著率呈現(xiàn)上升趨勢；隨著保溫時間的適當延長，釬著率也呈現(xiàn)上升趨勢。

（3）在優(yōu)化焊接工裝、工裝夾緊力矩120 N·m、保溫溫度540 ℃、保溫時間50 min、焊接溫度600 ℃、保溫時間60 min條件下進行真空釬焊，平均釬著率高達90%。

（4）材料經(jīng)過真空釬焊后，釬焊完畢的基板力學性能有所下降，抗拉強度下降比例為27.2%，規(guī)定非比例延伸強度下降比例為34.1%，延伸率下降比例為6.6%；硬度下降比例為32.2%。