熱壓機在液冷板生產中的應用

羅 錫，王 戎，王 婷，王 朝

(航空工業西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

隨著電子系統綜合化程度的不斷提高，計算機的高集成芯片使用大幅增加，芯片在高速運轉過程中會產生大量熱，常規風冷散熱已不能滿足產品熱交換需求，散熱不暢將導致出現死機或運轉不正常等現象，嚴重影響整機的工作效率和可靠性。采用液體冷卻方式來解決高集成計算機熱交換問題已成為共識，液體冷卻散熱方式在使用過程中是否安全可靠，是確保整機長期穩定運行的關鍵。筆者通過熱壓機在液冷板生產中的運用，解決了液冷板的液冷腔體壁厚問題，增強了液冷板使用的可靠性。

1 產品需求

液冷模塊和側壁液冷組件均屬于耐壓零件，設計耐壓指標2.5 MPa，該類零件必須滿足設計壁厚要求、耐壓要求等重要指標，才能保證液冷部件工作中不泄露，才能保證計算機的安全可靠運行。設計指標為液冷模塊銑削成形后要求壁厚為0.7～0.8 mm，如圖1所示，側壁液冷組件精銑成形后要求壁厚為1.5～1.6 mm，如圖1所示。

圖1 液冷通道示意圖 圖2 側壁液冷組件

液冷組件工藝為真空釬焊而成，焊接后液冷組件尺寸為240 mm×165 mm×22 mm，側壁液冷組件最大尺寸為728 mm×250 mm×28 m，焊后液冷組件變形量為0.3～0.7 mm。為了保證液冷壁厚尺寸均勻一致，必須保證液冷組件的平面度在0.1 mm以內，才能通過數控銑削保證銑削后液冷模塊組件的腔體壁厚偏差小于0.1 mm的要求。由于液冷組件焊接后厚度達到20～28 mm，很難通過手工將其校平，如不進行校平進行后續成形加工，首先壁厚無法保證，變形組件加工成形后壁厚差異如圖3所示，其次耐壓能力會下降30%～50%，給后續使用帶來安全隱患。

圖3 液冷模塊壁厚差異圖

2 分析及解決方案

2.1 材料性能分析

液冷板在強度和耐腐蝕性等方面綜合考慮，材料選用6061鋁合金。6061-T6鋁合金在不同溫度的典型抗拉性能[1]見表1,從表中可以看出，溫度越高，屈服強度越小。

表1 6061-t6合金在不同溫度的典型抗拉性能

2.2 工藝設計

現有熱壓校平設備型號：YT-100RS,設備相關性能有最大工作壓力24 MPa，加熱系統為油溫機，最高工作溫度：350 ℃，工作臺有效面積650 mm×650 mm,設備如圖4所示。

圖4 熱壓校平設備

液冷板在熱壓機上的校平工藝曲線，需在設備能力的基礎上，參照材料的屈服強度，進行液冷板的校平工藝設計。基于設備的能力和狀態，考慮設備使用的安全性和連續性，選取設備額度能力的80%為長期工作輸出能力，熱壓校平工作溫度確定280 ℃。壓力選取參照表1，在280 ℃的工作溫度下，工作壓力必須小于19 MPa，同時根據流道尺寸，考慮局部可承受的最大壓力，局部在最大壓力下產生屈服變形，確定熱壓校平工作壓力為11 MPa。

熱壓校平時間參照鋁及鋁合金手冊[2]，6061鋁合金在25℃熱導率為180 W/m·K,比熱容(C)為896 J/(kg·℃)，按照熱量計算公式Q=m(T2-T1)，(Q為吸收(或放出)的熱量，m為物體的質量，C為比熱容，T2-T1為溫度變化量)，根據液冷板情況，充分考慮液冷板溫度均勻一致，確定熱壓校平時間為60 min，開始時間以油溫機油液溫度達到280 ℃時計時。

2.3 應用驗證

首先啟動熱壓校平設備的油溫機，設定油溫機工作溫度280 ℃，開啟導熱油升溫程序，等待導熱油溫度到達設定溫度[4]。

同時設定熱壓校平設備主機熱壓程序，程序設定按照兩段設置，首先依據模塊厚度，設定熱壓機上模下降限位位置，避免因位置不合理導致對液冷板造成破壞性壓傷和液壓缸的損壞，并且按0.1 mm的步進補償進行后續的校平下壓。其次設定熱壓的壓力為110 kg,超壓/補壓按2 kg的偏差進行補償，保溫時間60 min。

采用上述工藝曲線設置，分別對1液冷塊液冷板、同時4塊液冷板、同時6塊液冷板進行了熱壓校平處理，驗證該工藝曲線設置和熱壓校平效果。

2.4 測試結果

通過采用三坐標測量設備對熱壓校平后的液冷板進行面度檢測，單獨1塊的液冷板校平后平面度分別為0.028 7 mm(正面)、0.087 3 mm(背面)，同時熱壓校平4塊的液冷板校平后平面度分別為：1號(0.067 2 mm(正面)、0.0789 mm(背面))、2號(0.051 3 mm(正面)、0.073 4 mm(背面))、3號(0.047 5 mm(正面)、0.099 9 mm(背面))、4號(0.1 mm(正面)、0.097 3 mm(背面))，所有液冷板熱壓校平后平面度均在0.1以內。

對同時熱壓校平6塊的液冷板校平后平面度進行測量，存在1塊平面度為0.125 3 mm，超過平面度0.1 mm的工藝要求。

2.5 熱壓校平對模塊的影響[3]

經熱壓校平的液冷板，平面度合格率從原來的68%提升至98%，后續數控加工直接進行銑削，按照要求壁厚進行加工，經對加工后模塊壁厚進行測量，均在0.7～0.8 mm的公差帶范圍之內，液冷板的熱壓校平處理為壁厚的保證提高了很好的基礎。

熱壓校平處理是在加熱的基礎上，對液冷板進行加壓壓平處理，在處理的過程中，由于液冷板處于熱狀態，其在前工序焊接導致的應力，在熱壓狀態下得到一定的釋放，使焊接變形導致的拉應力在熱壓下變成壓應力，為液冷板在允許應力下使用提供了保證。另外由于液冷板在壓力下受一定的擠壓力，在校平變形的同時，對蓋板與框體間的焊縫也進行了有效的擠壓，對真空釬焊焊縫微觀可能存在的一些氣孔和疏松組織具有一定的改良作用。

4 結 語

熱壓校平是液冷板真空釬焊后變形校正、平面度保證和應力調整一個很有效的手段，可有效將液冷板焊接變形校正至0.1 mm以內，同時可將焊接導致的拉應力通過熱校平改變為壓應力，提高焊縫的可靠性。

熱壓校平的工藝參數包括校平溫度、校平時間等應根據設備狀況、液冷板材料、液冷板結構特征，進行合理的熱壓校平工藝參數設計。

熱壓校平實際操作過程中，校平數量合理應根據實驗狀況進行合理安排，避免因零件初始狀況差異大和校平數量過多，導致熱壓校平后平面度無法達到預期要求。