油冷器法蘭板真空釬焊溢料問題分析和改善

嚴 安， 任峰巖， 李衛東， 夏承東， 劉二磊， 唐友增， 郭耿鋒， 周德敬

（1. 銀邦金屬復合材料股份有限公司，江蘇 無錫 214145；2. 無錫銀邦防務科技有限公司，江蘇 無錫 214145）

機油冷卻器（簡稱：油冷器）主要用于冷卻發動機潤滑油穩定潤滑系統、提高汽車發動機動力性和經濟性，是汽車熱交換系統中保障發動機安全運行及其使用壽命的重要零配件[1-3]。近年來，隨著汽車輕量化的發展，鋁合金已經逐步取代銅和鋼，成為應用最廣泛的油冷器材料[4-5]。鋁合金板翅式油冷器一般采用多層錯邊鋸齒形翅片，芯體和法蘭板一次釬焊成形[6]。傳統油冷器法蘭板通常選用3003 鋁合金或其改性鋁合金，但含Mg 元素的6 系Al-Mg-Si 系鋁合金由于釬焊后具有一定的自然時效強化效果，焊后強度較高，已逐漸取代傳統的3 系鋁合金用做法蘭板材料，其中6063 和6A02 是最常選用的6 系鋁合金法蘭板材料[7]。

由于6 系鋁合金中含有Mg 元素，為避免釬焊過程中Mg 元素與釬焊爐中的O2，CO2等氣體反應而影響表面質量，6 系鋁合金板材在做油冷器法蘭板時通常采用真空釬焊方法進行焊接[8-11]。在應用中發現，6 系鋁合金真空釬焊后表面顏色發青，也極易表面氧化而發黑。因此通常在6 系鋁合金法蘭板上下表面復合一層3003 鋁合金以改善表面顏色。在實際應用中還發現法蘭板上沖壓孔周圍外表面經常出現釬料堆積的現象，使表面顏色發暗且凹凸不平，此缺陷一般稱為溢料。該現象較大程度影響了 油冷器與其他零部件的裝配和焊件外觀，降低了釬焊良品率，嚴重的溢料會造成溶蝕，縮短油冷器的使用壽命。本文對溢料現象進行分析，探討其產生的原因，并嘗試通過原材料的改進來改善溢料缺陷。

1 試驗材料與方法

本文研究的油冷器法蘭板為軋制復合的3003/6063/3003 三層鋁合金復合材料，厚度為3.1 mm，狀態為O 態，每層3003 鋁合金厚度占比約為4%，其結構示意圖見圖1，各層合金的化學成分列于表1。采用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）對缺陷法蘭板樣品溢料區域宏觀形貌、顯微組織進行觀察，并和未溢料區域進行對比。為了改善溢料對材料的生產工藝進行優化，對改善后的法蘭板進行真空釬焊，以驗證改善效果。

圖 1 3003/6063/3003 三層鋁合金復合材料結構示意圖Fig.1 Structural schematic diagram of the 3003/6063/3003 three-layer Al alloy composites

表 1 主要合金元素含量（質量分數/%）Tab.1 Contents of the main elements in the alloys (mass fraction/%)

2 結果與分析

2.1 缺陷分析

圖2 是法蘭板真空釬焊后的宏觀形貌圖。從圖2 中可以看出，沿法蘭板沖壓孔一周（虛線框中）與其他區域有明顯的區別，主要表現為框線處顏色較正常區域深，表面粗糙，有顆粒感，此現象一般稱為溢料。圖3 是溢料區域和正常區域表面的SEM圖，能譜分析結果見表2。對比結果可以發現，溢料區域表面凹凸不平，較為粗糙，正常區域為軋制后的表面，與宏觀形貌觀察結果一致。能譜分析顯示，溢料區域O，Si，C 元素含量較正常區域高，表明釬焊后此區域可能發生了焊料堆積。

為進一步研究，沿孔的徑向（圖2 中A-A）剖開，對溢料區域的截面進行觀察。圖4 是溢料區域截面的光學顯微組織圖，可以看出，真空釬焊過程中，焊腳處釬料沿孔壁流動到法蘭板的外表面，并在孔的周圍鋪展，形成溢料，焊料堆積厚度約20 μm。

圖 2 法蘭板真空釬焊后的宏觀形貌圖Fig.2 Macro-morphology images of the flange plate after vacuum brazing

圖 3 溢料區域和正常區域表面的SEM 圖Fig.3 SEM images of the surface of overflow area and normal area

表 2 能譜分析結果（質量分數/%）Tab.2 EDS analysis results (mass fraction/%)

圖 4 溢料區域截面的光學顯微組織圖Fig.4 Optical microstructure images of the cross section of the overflow area

綜上，油冷器法蘭板真空釬焊后產生溢料主要是因為釬焊過程中焊料發生了流動，在法蘭板表面形成了堆積。因此，為改善溢料，可以從降低焊料的流動性方面考慮，減小焊料在表面的堆積。

2.2 工藝改善

焊料流動的影響因素主要有合金元素、釬焊層厚度、釬焊溫度、釬焊時間和材料的晶粒尺寸等[12-14]。工業化生產中，在合金結構和釬焊工藝不易改變的情況下，通過調整生產工藝，改善材料的晶粒尺寸是一種較為經濟和適用性較廣的方案。焊料的流動要經過晶界，晶粒尺寸越小，晶界越多，流動的通道也就越多。因此，工藝改善的方向是要增大晶粒尺寸，從而減少晶界，降低焊料流動性。

表3 是工藝改善前和改善后3003/6063/3003 三層鋁合金復合材料的生產工藝流程。與改善前相比，增加了一道次冷軋和中間退火工序，中間退火溫度為380 ℃。

圖5 是工藝改善前和改善后6063 鋁合金層的光學顯微相組織圖。從圖5 中可以看到，晶粒均為完全再結晶晶粒，改善前的晶粒尺寸約為275 μm，改善后的晶粒尺寸約為476 μm，較改善前有明顯的增大，表明增加中間退火工序起到了增大成品晶粒尺寸的作用，這可能和材料的變形儲能變化有關。材料經熱軋后，組織為內部存在亞晶粒、位錯、應力等變形組織，變形儲能較高，后續經過多道次冷軋，變形儲能進一步提高。變形儲能越大，再結晶驅動力越大，相應的晶粒尺寸越小[13,15-16]。改善前，熱軋后至成品退火前，材料的總變形量為50%，增加中間退火工序后，材料得到軟化，亞晶粒、位錯、應力等部分消除，變形儲能得以釋放，中間退火后至成品退火前，材料總變形量為38%，總變形量減小，變形儲能較改善前減小，再結晶驅動力減小，因此，晶粒尺寸較改善前增大。

圖 5 工藝改善前、后6 063 鋁合金層光學顯微組織圖Fig.5 Optical microstructure images of the 6 063 Al alloy layers before and after process improvement

表 3 工藝改善前、后3003/6063/3003 三層鋁合金復合材料生產工藝流程Tab.3 Production processes of the 3003/6063/3003 three-layer Al alloy composites before and after process improvement

2.3 釬焊驗證

圖6 是工藝改善后法蘭板真空釬焊后的宏觀形貌圖?？梢?，工藝改善后法蘭板沖壓孔周圍無明顯的溢料現象，顏色同其他區域無明顯區別，表面光滑，無顆粒物。圖7 和表4 分別是工藝改善后法蘭板沖壓孔附近原溢料區域和正常區域表面的SEM圖和能譜分析結果?？梢钥吹剑缌蠀^域的表面形貌和正常區域相似，較為光滑，均為軋制后的表面。能譜分析表明，原溢料區域O，Si，C 元素含量與正常區域相似，釬焊后此區域無明顯的焊料堆積。

圖 6 工藝改善后法蘭板真空釬焊宏觀形貌圖Fig.6 Macro-morphology images of the vacuum brazed flange plate after process improvement

圖 7 工藝改善后法蘭板真空釬焊后SEM 圖Fig.7 SEM images of the vacuum brazed flange plate after process improvement

圖8 是真空釬焊后法蘭板6063 鋁合金層和3003 鋁合金層的光學顯微組織圖。圖8 中6063 鋁合金層為截面晶粒，3003 鋁合金層為表面晶粒?？梢钥闯?，改善后6063 和3003 鋁合金層的焊后晶粒均較改善前有所增大。改善前，6063 和3003 鋁合金層焊后晶粒尺寸分別為270 μm 和325 μm，改善后，6063 和3003 鋁合金層焊后晶粒尺寸分別為500 μm和405 μm。

晶粒尺寸是法蘭板釬焊后產生溢料的影響因素之一。釬焊過程中，與法蘭板連接的芯片的釬焊層熔化后，焊料在焊腳處鋪展和流動，通常認為，晶界是促進焊料流動的通道，晶界數量越多，焊料流動越明顯，產生溢料的風險也就越大。增加中間退火后，再結晶驅動力減小，再結晶過程受到抑制，易于形成粗大的再結晶晶粒，晶界的數量減少，有益于溢料問題的改善。

圖 8 真空釬焊前、后6063 和3003 鋁合金層光學顯微組織圖Fig.8 Optical microstructure images of the 6063 and 3003 Al alloys layers before and after vacuum brazing

增大晶粒尺寸，可以經濟、有效地改善法蘭板真空釬焊溢料問題。正因為晶粒尺寸不是影響溢料的唯一因素，那么，改善晶粒尺寸也不會杜絕溢料的產生。工業化生產中，應當綜合考慮材料選材、生產工藝和釬焊工藝等，在提高釬焊成品率的基礎上還要合理地控制成本。

3 結 論

（1）油冷器法蘭板真空釬焊后產生溢料，主要是因為釬焊過程中熔化后的焊料發生了流動，在法蘭板沖壓孔附近表面形成了堆積。

（2）材料冷軋過程中進行中間退火，總變形儲能減小，成品退火時再結晶驅動力減小，有利于成品晶粒尺寸的增大。

（3）材料晶粒尺寸增大，釬焊后溢料有明顯改善，主要是因為晶粒增大后，晶界的數量減少，釬焊過程中焊料沿晶界流動至法蘭板表面的傾向減弱，焊料堆積減少。