汽車(chē)油冷器真空釬焊釬著率不足問(wèn)題的分析與改進(jìn)

潘 勇

(貴州貴航股份公司永紅散熱器公司,貴州 貴陽(yáng) 550009)

0 引言

層疊式真空釬焊油冷卻器是汽車(chē)上的安全件,可靠性要求較高。爆破壓力要求大于4 MPa,壓力交變通過(guò)50萬(wàn)次,焊縫釬著率>60%。對(duì)焊縫的氣密性及整體強(qiáng)度要求較高。

圖1 釬著率示意圖

釬著率是指熔化的釬料向待焊面間隙的內(nèi)部擴(kuò)散滲透的面積與名義釬焊面的比例關(guān)系。如圖1所示,斜線(xiàn)陰影部分為未釬著面積,中間空白部分表示釬著面積。釬著率=(ABCD矩形面積-陰影面積)/ABCD矩形面積。

在某型油冷器的研發(fā)中,遇到了筋片斜邊釬著率只有40%左右,達(dá)不到60%的設(shè)計(jì)要求的問(wèn)題。如圖2所示,筋片斜邊焊縫處存在較大空洞。

圖2 筋片斜邊焊縫金相

同時(shí),由于釬著率不高,氣密時(shí)有5%的產(chǎn)品筋片斜邊泄漏;產(chǎn)品的整體強(qiáng)度不高,爆破強(qiáng)度5.5 MPa,壓力交變73萬(wàn)次,均略大于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及裝配關(guān)系

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)爆破圖

產(chǎn)品主要由筋片、蓋板、波紋板、底座、底部筋片5種零件構(gòu)成,產(chǎn)品釬著率不足的問(wèn)題反映于筋片與筋片之間的斜邊焊縫處。筋片與筋片間的局部裝配關(guān)系如圖4所示。

圖4 筋片裝配關(guān)系圖

圖5 斜邊焊縫金相 圖6 凸臺(tái)焊縫金相

圖7 爆破測(cè)試

α-斜邊傾角;A-凸臺(tái)高度;B-凸臺(tái)焊接面寬度;t-料厚;h-翅片高度;H焊前-產(chǎn)品焊前單元層高;H焊后-產(chǎn)品焊后單元層高。圖8 設(shè)計(jì)規(guī)范示意圖

筋片材料為4104(15%±3%)/3003/4104(15%±3%),是雙面包覆層材料?；w的材質(zhì)是3003,固-液相線(xiàn)溫度為643～654 ℃,材料兩個(gè)外表面為包覆層釬料4104,固-液相線(xiàn)溫度為560～590 ℃。材料總厚度0.6 mm ,兩個(gè)外表面包覆層厚度均為總厚度的15%。

筋片裝配后,內(nèi)腔的焊前設(shè)計(jì)高度為2.96 mm,考慮到焊后由于釬料熔化后,材料厚度減薄,內(nèi)腔的焊后設(shè)計(jì)高度為2.75 mm。

2 失效原因分析

釬料熔化后,釬料中的Mg大量揮發(fā),釬料中的Si及Mg進(jìn)入母材,與Al結(jié)合,形成AlSiMg合金,因此導(dǎo)致焊后材料的厚度減薄[1]。通過(guò)試驗(yàn)證明,在理想焊接效果的情況下,減薄量為釬料層厚度的50%。從而在釬焊階段,在兩層待焊材料之間出現(xiàn)間隙,這個(gè)間隙如果不能得到彌補(bǔ),將會(huì)出現(xiàn)焊合率不足,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致泄漏[2]。

筋片釬料層的厚度為0.6×15%=0.09 mm,兩件筋片間在焊接過(guò)程中因?yàn)殁F料層減薄所出現(xiàn)的間隙為2×0.09×50%=0.09 mm。筋片與筋片間的焊縫分為凸臺(tái)和斜邊兩部分,兩個(gè)待焊凸臺(tái)的高度在垂直方向上設(shè)計(jì)的高度減少量為2.96-2.75=0.21 mm,大于釬料減薄量0.09 mm,因此在垂直方向上的凸臺(tái)焊縫在焊接過(guò)程中的新增間隙得到完全彌補(bǔ),因此焊接情況良好,釬著率接近100%。完全彌補(bǔ)間隙后,繼續(xù)壓縮減少凸臺(tái)高度0.12 mm,凸臺(tái)處產(chǎn)生一定的可接受變形。在斜邊焊縫部分,斜邊法線(xiàn)方向上的設(shè)計(jì)壓縮量為0.21×cos80.15°=0.036 mm,新增間隙的彌補(bǔ)比例為0.036÷0.09×100%=40%。這個(gè)計(jì)算結(jié)果與金相檢測(cè)的釬著率結(jié)果相當(dāng)。因此,斜邊焊縫的釬著率不足的原因?yàn)樵O(shè)計(jì)壓縮量不足,導(dǎo)致釬料熔化后的新增間隙得不到充分彌補(bǔ),焊后空洞較大,出現(xiàn)一定比例的泄漏,焊縫強(qiáng)度不高。

3 解決問(wèn)題措施

增大設(shè)計(jì)壓縮量,將焊后內(nèi)腔高度調(diào)整為2.62 mm,斜邊法線(xiàn)方向上的壓縮量按照理論計(jì)算增大到:(2.96-2.62)×cos80.15°=0.058 mm,新增間隙的彌補(bǔ)比例為0.058÷0.09×100%=65%。

垂直方向上的壓縮量為2.96-2.62=0.34 mm,凸臺(tái)變形量按照壓縮量減去釬料減薄量進(jìn)行計(jì)算,即0.34-0.09=0.25 mm,處于可接受的程度。

由于壓縮量的增大,導(dǎo)致產(chǎn)品焊后總高減少的問(wèn)題,可通過(guò)增加一層筋片單元來(lái)協(xié)調(diào)尺寸,該問(wèn)題得到解決。

4 措施驗(yàn)證

4.1 氣密測(cè)試

產(chǎn)品經(jīng)氦檢氣密性檢測(cè),氣密合格率達(dá)到99%以上,筋片斜邊外漏問(wèn)題得到有效解決。

4.2 金相檢測(cè)

從金相圖片可知,斜邊焊縫的釬著率有了明顯提升,空洞明顯減少,釬著率達(dá)到了60%以上。凸臺(tái)處有一定的翹曲變形,但在可接受范圍,焊縫連續(xù)完整,釬著率接近100%。

4.3 爆破試驗(yàn)

抽取數(shù)件試驗(yàn)產(chǎn)品固定在爆破試驗(yàn)臺(tái)上,對(duì)產(chǎn)品內(nèi)腔持續(xù)升壓,直至爆破。爆破壓力為8.23～8.95 MPa。較之改進(jìn)前的5.5 MPa明顯提升。

4.4 壓力交變測(cè)試

將試驗(yàn)產(chǎn)品固定在壓力交變?cè)囼?yàn)臺(tái)上,以1.7 Hz頻率對(duì)產(chǎn)品內(nèi)腔持續(xù)施加0.1bar～14.1bar～0.1bar循環(huán)壓力。循環(huán)次數(shù)達(dá)到152萬(wàn)次,還未發(fā)生泄漏。明顯超過(guò)改進(jìn)前的73萬(wàn)次。

5 形成規(guī)范

為保證層疊式油冷器的釬著率達(dá)到合理的范圍之內(nèi),保證產(chǎn)品的裝配性及凸臺(tái)的變形程度控制在可接受范圍。依據(jù)改進(jìn)工作所得到的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),形成設(shè)計(jì)規(guī)范,指導(dǎo)同類(lèi)型產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

單元垂直方向壓縮量=H焊前-H焊后

單元斜邊法線(xiàn)方向焊合率=(H焊前-H焊后)×cosα/0.15 t

真空釬焊式油冷器工藝的設(shè)計(jì)規(guī)范如下:

單元垂直方向壓縮量=H焊前-H焊后≤0.55 t;

單元斜邊法線(xiàn)方向焊合率=(H焊前-H焊后)×cosα/0.15t≥50%;

α取值范圍:80°±1°;

h=H焊后+0.05,公差:0,+0.05;

A=H焊前/2,公差:0,+0.03;

B=1.6(0,+0.3)。

6 結(jié)論

1) 釬料熔化后,由于釬料層減薄,減薄量為釬料層厚度的50%,并由此導(dǎo)致出現(xiàn)間隙。這個(gè)間隙如果不能得到彌補(bǔ),將會(huì)出現(xiàn)焊合率不足,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致泄漏。

2)壓縮量的設(shè)計(jì),要兼顧釬著率及變形程度在可接受范圍。

3)通過(guò)氣密性檢測(cè)、金相、爆破測(cè)試、壓力交變測(cè)試,說(shuō)明釬著率不足的原因是設(shè)計(jì)壓縮量不足。通過(guò)改進(jìn),達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),產(chǎn)品可靠性明顯提高,改進(jìn)措施有效。并將改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)形成了設(shè)計(jì)規(guī)范。