淺談釬焊式汽車散熱器抵抗溫度交變性能的提升研究

利聲林

法雷奧發動機冷卻（佛山）有限公司 廣東省佛山市 528137

1 引言

伴隨著越來越多起市場保修期內發生的散熱器泄露，失效模式發生在B型管與主板焊縫處，主機廠越來越重視對釬焊散熱器的可靠性研究。經研究發現大部分的焊縫泄露大都由于材料疲勞而引起。所以大部分歐美系主機廠在不斷加嚴釬焊散熱器溫度交變標準。比如福特散熱器要求從高溫120度到低溫負20度轉換過程中，5秒內溫度降低75度，要求一致性達到1000循環以上。大眾高溫散熱器要求總循環數達到8000循環，低溫散熱器要求總循環數達到10000循環。而國內自主品牌的主機廠也緊跟國際品牌腳步，對這塊要求也日益嚴格。所以越來越嚴格的標準要求散熱器生產廠家必須審視自家材料的使用及工藝設計。而對于零部件廠家而言，一味增加材料厚度應對已經不適應汽車輕量化設計的思路。在本研究中，筆者通過對溫度交變引起失效的根本原因進行分析，另辟蹊徑，為企業產品技術升級指明方向。

2 什么是溫度交變失效？

散熱器在溫度交變過程中發生冷卻液泄露，泄露部位多放生在芯子的前3根管或者倒數3根管兩側圓角處，在金相的狀態下可以看得到裂紋發生在主板與管子釬焊焊縫邊緣處。

3 為什么會導致溫度交變失效

如下圖所示，溫度交變實驗的原理是，將兩個裝有50：50冷凍液與水比例的罐子和散熱器相連接，一個罐子為高溫溶液，另一個為低溫溶液，按照客戶的溫度曲線進行設置。

所以正常實驗的散熱器在紅外線攝像機的拍攝照片如下：

可以看到，散熱器內壁后存在兩種不同溫度的冷凍液，因為在溫度轉換的瞬間，當熱態冷凍液并沒有完全褪去，冷態冷凍液已經進來占據了一部分的空間。這個時候就會對材料存在高低溫沖擊，經過一定數量的循環，焊縫處發生了裂紋。

而為什么失效總是在主板與管子的焊縫處呢，主要是因為主板與管子的熱膨脹系數不一樣。這也主要是因為主板與管子的厚度及材料選擇不一樣所導致。

當散熱器在冷凍液冷熱態轉換過程中，部分鋁材在收縮，部分在膨脹；

當散熱器中完全注入冷態冷凍液時，主板收縮得比管子快；

當散熱器中完全注入冷態冷凍液時，主板膨脹得比管子快；

在實車環境下，散熱器在低溫下啟動也會造成鋁材收到溫度沖擊而變形。

4 抵抗溫度交變措施討論

4.1 對于現有產品釬焊質量的改進

由于大部分失效模式主要發生在釬焊焊縫處，由此對于通過提高釬焊質量從而提高抗溫度交變的工藝難度可見一斑。

我們嘗試從以下幾方面去控制芯子的釬焊質量，以27VHP產品為例。

（1）翅片到管子間的距離。我們都知道在溫度交變實驗過程中，管子與主板發生形變位移是不可避免的，那么如果有足夠多的材料支撐住鋁管，不讓其形變或者盡量減少材料內應力，這樣對提高芯子抗溫度交變能力是正面意義的。（2）芯子本身釬焊后的彎曲程度。由于釬焊式散熱器是靠焊接夾具支撐通過氣體保護焊爐子進行焊接，每根翅片高度在焊接后都會有不同程度的收縮，整個芯子的搜索會在3～4mm 內。伴隨著翅片高度的下降，管子在釬焊的作用下并夾具的壓縮也會往芯子中部收縮。故大部分的芯子焊接后都呈“凹”字狀態。當然，企業也有相應標準控制“LF”也就是邊板到邊板之間的距離。所以我們做了幾種實驗方案，去驗證到底“凹”字型狀態多明顯才會提高散熱器抵抗溫度交變的能力。（3）B型管“delta”區域尺寸控制。我們在對失效樣件的金相分析過程中，發現很多案例的裂紋都是從B型管折疊處開始延伸到兩側。所以B型管delta區域的尺寸控制需要加強。

我們都知道，B型管成型是由一張鋁箔通過十幾到輥輪彎曲成型。而在釬焊過程中，delta區域也是最難焊接區域。在釬焊爐中，鋁材表面的復合層熔點較芯材低而融化，填滿delta區域以及管子與主板的縫隙處。而delta區域太大，焊劑填不充分，會有泄露的風險，即是通過泄露測試，也可能會有虛焊漏焊在耐久試驗中失效的風險。Delta區域太小，則意味著折彎半徑較小，刀具容易磨損。而且經過研究發現，折彎半徑過小，則折疊處呈立角狀態，此處材料內應力較大，在溫度交變過程中容易失效。所以，我們也準備了幾種“delta”區域內圓角的樣件進行對比試驗。

通過福特試驗我們發現，翅片與主板距離控制在4±1mm ； 芯子中部LF與兩側LF相差0.75mm以下?！癉elta”區域內圓角最小不能超過0.083mm時，27VHP產品無需經過改變設計即可提高產品的抗溫度交變能力。

4.2 對于新產品改進方向研究

4.2.1 主板

由于大部分的失效都發生在主板與管子之間的焊縫處，所以在主板設計上另辟蹊徑是非常有必要的。我們都知道由于管子與主板的熱膨脹系數不一樣導致焊縫處內應力角集中，那么如果可以改變主板與管子焊縫曲線的形狀，則可以較少應力及不均勻分布情況。通過模擬分析我們可以知道，傳統平面狀設計的主板，熱內應力主要往管子兩側擴散。改變成弧面型設計后，熱內應力從兩側往芯子中部擴散，有效降低了熱應力對焊縫的疲勞影響。其次，在增加主板上管子插槽的翻邊高度后也能有效降低熱內應力。

4.2.2 管子

傳統長壽命鋁合金為了提高腐蝕性能，往往忽略本身機械性能的重要性。而提高鋁合金材料中的鎂含量能顯著提高材料的機械性能，特別是焊后的機械性能。傳統合金釬焊后的屈服強度在45～50Mpa左右，而增加一定比例的鎂元素后能達到55～60Mpa。這對散熱器抵抗溫度交變的能力提升是非常明顯的。

管子的厚度目前很多發動機冷卻廠家已經選用200微米的材料管子，但是實際上部分主機廠提出的溫度交變標準往往接近鋁材的機械強度極限值。所以對于福特、大眾這些主機廠必須選用厚的材料，譬如230微米甚至更高厚度材料的管子。

4.2.3 邊板

邊板的設計首先要考慮對于芯子的支撐，所以本身的剛度不能設計得太弱，因為在釬焊過程中邊板是需要承受夾具對于芯子的夾緊力的，而且釬焊之后對于整個芯子的剛度貢獻也比較大，特別是現在的散熱器設計得越來越緊湊，目前10mm芯厚的散熱器作為低溫散熱器也在市場上面出現了。其次就是要考慮對產品可靠性的影響了，當產品經受溫度交變或者壓力交變作用的時候，管子需要來回收縮，如果剛性太高的邊板不能及時釋放管子的應力，則會對產品產生致命的影響。也就是說，在邊板設計的時候需要在他需要斷的時候要容易斷。所以邊板設計這種結構也是難點，如果這種工藝切口太薄，則需要比較高的沖壓工藝，而且也不能太軟，不然在物流過程中容易變形損壞。

5 加強片

對于管子的變形來說，如果在管子內壁進行增強，則當出現熱膨脹系數不一樣時，管子的內應力由于管子被限制住變形而減小。所以，增加一種加強片插入到管子中部在釬焊之后能與管子形成一體這也不失為一種簡易的，行之有效的方案。特別是高低溫熱交換器，失效位置往往發生在高溫區和低溫區交界處，用加強片放在交界處的相鄰三根管子處已經被我們驗證是非常好提高抗溫度交變的一種手段。

6 機械釬焊式散熱器

對于散熱器生產廠家都知道，散熱器按制造工藝分，有機械散熱器和釬焊式散熱器兩大類。機械散熱器應用在上世紀80年代的銅管散熱器，以及90年度初的鋁管散熱器。包括目前家用空調的兩器大部分用的也是機械散熱器。機械散熱器唯一的一個好處便是不會有溫度交變的影響，因為機械散熱器是靠機械漲緊的方式使得管子和翅片相接觸，管子和主板之間的密封也是通過密封圈來密封，根本就不存在焊縫。然而缺點也很明顯，就是散熱能力沒有釬焊式散熱器高。所以很有必要開發一款兩種工藝混合的產品，即是先讓翅片和管子通過釬焊連接形成芯子，在用機械散熱器的工藝方式連接主板和水室。其唯一的難點就是如何保證釬焊過后管子之間的位置度，這也是該產品的重中之重。

7 結語

在本研究中，筆者針對釬焊式發動機散熱器溫度交變失效的原因進行分析，及提出了諸多可行性的改進方案，筆者在進行研究的時候進行了相關很多的實驗，因此本研究也是再基于相關的實驗基礎上所得出的結論?，F如今，自動啟停系統已經普及在大部分的乘用車上，而且主動進氣格柵也已經開始應用在高端車型上，所以筆者認為，這一切的跡象表明溫度交變高抵抗力的散熱器是目前發動機冷卻散熱器生產廠家的一塊兵家必爭之地。為了使汽車散熱器能夠具備重大的突破，相關研究人員還需要再接再厲，爭取開發出更好的產品，為我國汽車事業做出更高的貢獻。