熱處理工藝對電池冷卻板釬焊后尺寸的影響

桂良寶，郭飛躍，黃美艷，唐興昌，石長亮

（1.乳源東陽光優艾希杰精箔有限公司，韶關 512721；2.蘭州理工大學材料科學與工程學院，蘭州 730050；3.廣東省科學院工業分析檢測中心，廣州 510650）

0 前言

新能源汽車是未來的發展趨勢，近幾年來銷量呈爆發式增長。據有關數據顯示，2022年中國汽車總銷量為2686.4 萬輛，實現了2.1%的同比增長，其中新能源汽車總銷量為680萬輛，其市場占有率提升至25.3%。為了對新能源汽車電池進行有效熱管控，電池冷卻板也被大量使用。目前市場上的主流電池冷卻板其流道板基本為兩層或三層復合材，芯材普遍為Al-Mn系合金，其底板基本為光板或兩層復合材。流道板經沖壓、開孔后，與開孔的底板組裝，然后釬焊成一個整體。電池冷卻板規格非常多，窄的只有500 mm左右，寬的會達到2400 mm左右。由于電池冷卻板多為寬幅板，經過高溫釬焊后，其宏觀尺寸特別是釬焊前的開孔尺寸會發生一定的變化，這對電池冷卻板的設計和組裝帶來一定的困難。本文主要研究了成品熱處理工藝對電池冷卻板釬焊后尺寸的影響，分析了釬焊后宏觀尺寸變化的機理，期望對電池冷卻板的設計提供一定的理論指導。

1 試驗方案

1.1 材料制備

采用99.7%普鋁錠、Al-Cu中間合金、錳劑等原材料，熔鑄成2塊規格為400 mm×1400 mm×5000 mm的Al-Cu-Mn合金芯材鑄錠，編號A、B，其化學成分見表1。鑄錠A 不進行均熱處理，鑄錠B 采用580 ℃×12 h 進行均熱處理，均熱升溫速度25 ℃/h，冷卻速度50 ℃/h，將鑄錠A和經過均熱處理的鑄錠B分別截取橫截面中心位置15 mm×50 mm用于芯材金相組織觀察，侵蝕液為混合酸（下同）。鑄錠A、B 經銑面、加熱（500 ℃×2 h）后，熱軋至6 mm厚，終軋溫度300 ℃。6 mm厚的熱軋卷冷卻后，再冷軋至2 mm 厚，然后取樣，分別采用250 ℃×2 h（樣品編號A1、B1）和400 ℃×2 h（樣品編號A2、B2）工藝進行成品退火處理。退火后的樣品再截取40 mm寬，長度分別為500 mm、700 mm、900 mm、1000 mm的幾個樣品，長度方向平行于軋制方向，每種樣品至少3片，用于模擬釬焊試驗。

表1 芯材合金化學成分（質量分數/%）

1.2 試驗及檢測項目

觀察經過均熱處理的樣品B和未經過均熱處理的樣品A的第二相的尺寸和分布情況。對截取的長條樣品采用千分尺和游標卡尺測量釬焊前實際厚度、寬度、長度，并記錄數據，然后進行模擬釬焊。模擬釬焊金屬溫度曲線見圖1。釬焊后測量各樣條的厚度、寬度、長度，并觀察釬焊前、后樣品的芯材金相組織。

圖1 模擬釬焊金屬溫度曲線

2 試驗結果與討論

2.1 鑄造金相觀察

對鑄態樣品A和鑄造后經均熱處理的樣品B進行金相觀察，白色部分為第二相析出物，如圖2所示。由圖2（a）可以看出，鑄態樣品A的第二相析出物主要呈長條狀和網狀分布；經過均熱處理后，樣品B的第二相析出物明顯增多，且原長條狀和網狀的第二相組織斷裂成短棒狀和點狀，其它部位也有點狀第二相析出（見圖2（b））。

圖2 樣品A和B的第二相分布

2.2 釬焊前后樣品金相組織觀察

如圖3 所示，圖3（a）～圖3（d）分別為A1、A2、B1、B2樣品釬焊前的芯材金相組織，圖3（e）～圖3（h）分別為A1、A2、B1、B2 樣品釬焊后的芯材金相組織。由圖3（a）和圖3（c）可以看出，采用低溫成品退火的A1、B1 樣品，芯材金相為纖維組織；而采用高溫成品退火的A2、B2樣品，芯材金相為再結晶組織（圖3（b），圖3（d））；釬焊后的樣品均為再結晶組織（見圖3（e）～圖3（h））。對再結晶組織的樣品晶粒尺寸進行測量，統計結果如表2所示。A2樣品的晶粒尺寸最大（見圖3（b），圖3（f）），釬焊前、后晶粒尺寸變化不大；B2 樣品的釬焊前再結晶晶粒尺寸較小（圖3（d））；釬焊后晶粒略微長大（見圖3（h））。

圖3 各樣品釬焊前后芯材金相組織

表2 釬焊前、后樣品芯材晶粒尺寸

2.3 釬焊前、后樣品厚度、寬度和長度測量結果

表3 為2 mm×40 mm×1000 mm 規格的A1 樣品釬焊前、后的厚度、寬度和長度測量數據統計結果。從表3測量結果看，釬焊后厚度、寬度尺寸沒有明顯變化，長度尺寸縮減明顯。不同長度的A1樣品釬焊后尺寸縮減如表4 所示，隨著長度的增加，釬焊后尺寸縮減值逐漸增大。表5為長度均為1000 mm 的Al、A2、B1、B2 樣品釬焊后縮減統計。從表5可以看出，長度均為1000 mm時，不同狀態的樣品釬焊后縮減值不同。其中A1 樣品釬焊后長度縮減值最大，約為0.43 mm；A2樣品釬焊后長度縮減值最小，為0.13 mm。

表3 2 mm×40 mm×1000 mm規格的A1樣品釬焊前、后的厚度、寬度和長度數據

表4 不同長度的A1樣品釬焊前、后長度統計

表5 長1000 mm的A1、A2、B1、B2樣品釬焊后縮減統計

2.4 分析與討論

2.4.1 熱處理工藝對成品金相的影響

由圖2（a）可以看出，鑄造組織中存在明顯的第二相偏析，第二相呈長條狀、網狀分布，這是因為Al-Mn 系合金在半連續鑄造時有發生晶內偏析，第二相主要是（Mn，Fe）Al6相[1-2]。而且鑄造組織中Mn 的過飽和度很高，經過均熱處理后，基體中的過飽和固溶Mn 元素開始析出，第二相數量明顯增多，原長條狀、網狀（Mn，Fe）Al6的第二相逐漸轉變成短棒狀、球狀的α-Al12（Fe，Mn）3Si 相[3]。

根據孫中躍[4]等的研究，未均熱處理合金中固溶的Mn 元素含量越高，再結晶推遲越明顯。析出先于再結晶發生，沿軋向鏈狀分布的析出相能夠釘扎晶界，阻礙晶界法向移動，形成長條狀大晶粒，圖3（b）正好印證此結論。對于芯材經均熱處理過的樣品B，成品低溫退火后芯材金相組織仍為纖維組織（圖3（c）），高溫退火后得到的組織接近等軸晶（見圖3（d））。經過高溫釬焊后，A1、B1樣品均發生了再結晶，但A1 樣品晶粒更大。這是因為A1 樣品未經芯材均熱處理，前一步退火過程以及釬焊升溫過程中有細小的第二相沿軋向析出，細小的第二相會釘扎晶界，推遲再結晶，導致晶粒沿軋向優先生長，形成大晶粒；而B1 樣品經過芯材均熱處理以及高溫熱軋，材料中基本無過飽和的固溶Mn，在進行釬焊時基本沒有細小的第二相析出[5]，再結晶過程沒有推遲，更容易形成細小的等軸晶。對比A2 樣品，釬焊前、后芯材晶粒組織無明顯變化（見圖3（b）、圖3（f）），而B2 樣品釬焊后發生晶粒長大現象，可能是因為釬焊溫度較高，B2 樣品在釬焊過程中存在部分析出相回溶的情況，部分第二相的回溶，導致晶粒脫離第二相的約束而發生長大。而A2 樣品在釬焊前，由于芯材未經過均熱處理，樣品本身處于Mn 固溶過飽和狀態，釬焊時主要是第二相析出過程，所以晶粒尺寸基本未發生變化。

2.4.2 熱處理工藝對釬焊后尺寸縮減的影響

由表3可以看出，2 mm×40 mm×1000 mm規格的A1 樣品釬焊后厚度和寬度方向上的尺寸未發生明顯變化，而長度方向上發生了明顯的尺寸縮減。而且隨著長度的增加，釬焊后尺寸縮減量也增加，長度1000 mm 的樣品，釬焊后長度縮減量達到了0.43 mm（如表4所示）。相關研究[6-9]表明，冷軋過程中晶粒沿軋制方向被拉長、壓碎，產生的大量位錯纏結在一起構成亞結構。A1 樣品經過熱軋和冷軋過程，樣品為軋制組織，組織中的空位、位錯、晶界數量很多，成品采用低溫退火，僅發生回復過程，回復過程的本質是點缺陷運動和位錯運動及其重新組織，在精細結構上表現為多邊化過程，形成亞晶組織，但其組織仍為纖維組織，密度變化不大。在一定的退火時間下，位錯密度隨退火溫度的升高而降低。A1 樣品釬焊前組織中的空位、位錯、晶界的數量很多，而釬焊過程材料發生再結晶，材料中的空位、位錯基本消失，晶界大大減少，導致材料密度變大，宏觀尺寸變小。試驗樣品尺寸為2 mm×40 mm×1000 mm，厚度和寬度方向上尺寸并不大，因此釬焊后厚度和寬度尺寸上的變化很小，難以通過千分尺和游標卡尺檢測出。

由表5 數據可以看出，成品采用高溫退火的A2、B2 樣品，釬焊后尺寸縮減值明顯小于采用低溫退火的A1、B1 樣品，這是因為高溫退火的A2、B2 樣品芯材組織為再結晶組織，材料中的空位和位錯很少，釬焊后晶粒尺寸略微長大，所以材料密度變化較小，宏觀尺寸變化也較小。A2 樣品的釬焊后尺寸縮減相對于B2樣品更小，這是因為A2樣品的釬焊前、后晶粒尺寸變化很小，而B2 樣品釬焊后晶粒尺寸有長大，晶粒尺寸變大，晶界數量有所減少，會導致密度略微上升，所以宏觀尺寸會略微下降。

綜上所述，釬焊前、后組織中的空位、位錯、晶界數量變化，導致材料密度變化，是釬焊后出現尺寸縮減的主要原因。對于電池冷卻板的材料和工藝設計，采用芯材鑄錠不均熱處理、成品高溫退火的工藝，其釬焊后產品尺寸縮減值最小。

3 結論

（1）采用低溫成品退火時，芯材組織為纖維組織，釬焊后為再結晶組織，組織變化大；采用高溫成品退火，芯材組織為再結晶組織，釬焊后晶粒略微長大，組織變化小。

（2）鑄態組織不均熱處理時，Mn 過飽和度高，采用高溫成品退火，形成長條狀大晶粒，釬焊后芯材晶粒尺寸相對于釬焊前基本無變化。

（3）釬焊前、后芯材組織中的空位、位錯、晶界數量變化，導致材料密度變化，引起釬焊后的宏觀尺寸變化，是釬焊后出現尺寸縮減的主要原因。對于電池冷卻板的材料和工藝設計，采用芯材鑄錠不均熱處理、成品高溫退火的工藝，其釬焊后產品尺寸縮減值最小。