高頻焊管復合板組織和抗下垂性能的試驗研究

張云龍，張文靜，張 璇，張祥斌，韓 穎

（1.東北輕合金有限責任公司，哈爾濱150060；2.中鋁材料應用研究院有限公司蘇州分公司，蘇州215026）

0 前言

隨著時代的進步與現代工業技術的發展，汽車輕量化是汽車制造行業新的發展方向，而汽車散熱器的輕量化是汽車輕量化的重要途徑之一。將厚度較薄的高頻焊管復合板應用于汽車散熱器上既可以減輕汽車質量、節省能源，又可以提高散熱器的使用壽命[1]。

現階段國產高頻焊管復合板的性能仍不穩定，特別是抗下垂性能很不穩定。而抗下垂性能又是衡量復合材料質量好壞的重要指標，它直接影響到汽車散熱器的釬焊成型性及散熱效果。復合板在高溫釬焊過程中，4×××系鋁合金皮材會逐漸熔化，硅元素在濃度梯度的作用下沿晶界向芯材擴散、滲透，逐漸熔蝕芯材，導致起支撐作用的芯材變薄，強度降低，抗下垂性能變差。因此，較薄的復合板在600～620℃高溫釬焊時容易出現下垂現象[2]。

本文針對自主研制的0.22 mm厚的高頻焊管復合板，進行了生產工藝的試驗研究，開發出釬焊后具有良好抗下垂性能的高頻焊管復合板，滿足了用戶使用要求。

1 試驗材料及方案

本試驗工藝路線為：配料→熔煉→成分分析→精煉→鑄造→鋸切→銑面→焊合→加熱→熱軋→冷軋→中間退火→冷軋→成品退火→精整→鋸切→檢測。

研究用復合板采用熱軋復合工藝生產，將0359E合金鑄錠作為芯材，上、下表面分別包覆4343合金板材；7072合金板材作為皮材，所用合金化學成分的實測值分別列于表1中。

表1 4343/0359E/7072三層復合板化學成分（質量分數/%）

將復合板雙面包覆率控制在（10±2）%。先打磨皮材4343合金、7072合金結合面，用航空汽油清潔芯材0359E合金的表面，然后打定位銷、打鋼帶固定后進行加熱和軋制，制成厚度為6.0 mm的復合板坯。

將6.0 mm厚的4343/0359E/7072熱軋態復合板坯冷軋至1.0 mm，再取樣進行試驗。在實驗室采用400 mm小型冷軋機和納博熱爐開展不同冷軋加工率與不同熱處理制度的匹配試驗，以研究復合板組織變化對其抗下垂性能的影響，具體工藝優化參數如圖1所示。

復合板釬焊抗下垂試驗參照日本低溫釬焊委員會編制的抗下垂試驗方法進行。試驗中測量的下垂值用于反映復合板抗下垂性能的好壞，下垂值越小，表明該材料的抗下垂性能越好，即釬焊成型性能越好。圖2是下垂值測量示意圖，h值表示試樣在測試溫度下的下垂量。數量為每組3個平行試樣，規格為100 mm長、22 mm寬、懸空長度為50 mm。選用VTB 335型鋁合金真空釬焊爐進行釬焊試驗，釬焊制度為620℃/20 min。對釬焊前和釬焊后的試樣進行電解拋光陽極覆膜后，采用蔡司光學顯微鏡進行組織觀察。

2 試驗結果與分析

2.1 高頻焊管復合板組織形貌分析

圖3～圖5分別是12%、21.4%及31.3%冷軋加工率高頻焊管復合板在不同中間退火溫度、不同成品退火溫度下的組織形貌。可以看出，復合板在300℃、360℃中間退火、230～270℃成品退火時，芯材為纖維狀組織；在420℃、480℃中間退火、230～270℃成品退火時，芯材為長條狀晶粒組織。

圖6～圖8分別是12%、21.4%及31.3%冷軋加工率下的高頻焊管復合板在不同中間退火溫度、不同成品退火溫度下經620℃高溫釬焊后的組織形貌。可以看出，不同冷軋加工率與不同熱處理制度匹配后制備出的復合板釬焊后晶粒的長徑比不同。

2.2 高頻焊管復合板釬焊抗下垂性能

對不同生產工藝下制備的復合板進行釬焊抗下垂試驗，并測量其下垂值，結果如表2所示。

表2 不同生產工藝下復合板釬焊抗下垂試驗結果

結合圖6～圖8與表2可知，不同生產工藝下制備的高頻焊管復合板釬焊后的組織形貌與下垂值的測量數據穩定，波動范圍小。可以看出，隨著中間退火溫度的提高，相同冷軋加工率下的復合板釬焊后形成的晶粒長徑比越大，下垂值越小。隨著冷軋加工率的增大，復合板釬焊后形成的晶粒長徑比變小，下垂值變大。彭志輝等人通過對試驗數據的比較和分析，認為冷軋加工率是影響復合板釬焊后下垂性能的重要因素，中間退火工藝是影響復合板釬焊后下垂性能的另一因素[3]。另外，為了滿足不同用戶對產品強度與延伸率的要求，可以優化復合板的成品退火溫度。

通過本次實驗結果可以看出，當0.22 mm厚的高頻焊管復合板的冷軋加工率控制在12%～21.4%，中間退火溫度在420～480℃，成品退火溫度在230～270℃時，其釬焊后的抗下垂性能較好。

2.3 試驗工藝對抗下垂性能的影響

復合板在高溫釬焊過程中，皮材中的Si元素沿著晶界向芯材擴散。芯材的晶粒越小，晶界越多，Si元素擴散的通道越多，從而Si元素向芯材擴散的程度越大，復合板的抗下垂性能越差，反之亦然[4]。因此，要想提高復合板的抗下垂性能，就要增大芯材的晶粒尺寸，減少晶界數量，即減少Si元素向芯層擴散的通道。在復合板的各項生產工序中，對抗下垂性能影響顯著的因素主要有材料的均勻化、中間退火工藝及冷軋加工率。

（1）均勻化是材料生產的重要工序，主要是為了消除組織、成分偏析等鑄造缺陷。在進行均勻化的過程中，芯材合金中的過飽和固溶元素析出形成彌散第二相。隨著溫度的升高和時間的延長，合金中的第二相尺寸逐漸變大，同時數量減少。這些在均勻化過程中形成的粗大第二相將在后續的再結晶形核階段充當形核點，增加再結晶形核數量，從而形成細小的再結晶組織，導致加劇熔蝕過程，使材料的抗下垂性能變差。而非均勻化的組織中過飽和的固溶元素將在后續的軋制、退火和釬焊過程中析出，阻礙再結晶過程，從而獲得粗大長條狀再結晶晶粒組織，有益于提高材料的抗下垂性能。因此，一般3×××系鋁合金不進行均勻化處理[5]。

（2）中間退火工藝對復合板的抗下垂性能有一定的影響。經過低溫中間退火的復合板，其芯材未發生再結晶，為纖維狀組織；經過高溫中間退火的復合板，其芯材發生完全再結晶，為長條狀晶粒組織，再經過高溫釬焊后，長條狀晶粒組織進一步增大，長徑比明顯大于經過低溫中間退火的復合板，因此，材料的抗下垂性能提高。

（3）冷軋加工率對復合板抗下垂性能的影響十分顯著。在中間退火制度相同的條件下，加工率太小或者太大，復合板的抗下垂性能都會有不同程度的降低。較小的冷軋加工率會減少復合板的變形儲能，提高其再結晶溫度，使得高溫釬焊時芯材中的晶粒再結晶不完全，為亞晶晶粒組織組成的回復組織，存在大量的亞晶界。釬焊過程中，皮材鋁合金中的Si原子通過芯材合金亞晶晶面的缺陷擴散，使復合板的抗下垂性能降低。而冷軋加工率過大，冷軋后材料會產生大量變形位錯組織，3×××系鋁合金芯材的變形儲能增加，再結晶的溫度降低，經高溫釬焊后發生完全再結晶，形成細小的等軸晶粒組織，并且存在大量晶界。釬焊過程中，熔融狀態的4×××系鋁合金中的Si原子沿著3×××系鋁合金的再結晶界面向著芯材中擴散，導致復合板的抗下垂性能降低。

因此，控制晶粒形狀與尺寸、減少晶界薄弱環節是提高合金高溫性能的關鍵。而單位體積內較粗大的長條狀組織的晶界面積明顯少于細小等軸晶組織，有利于提高合金的蠕變性能[6]。本次實驗通過冷軋加工率與熱處理制度的合理匹配，使高頻焊管復合板的晶粒呈長條狀，且沿軋制方向分布，減少了高溫釬焊下薄弱環節的晶界面積。釬焊后形成粗大的扁長形晶粒可以提高復合板的抗下垂能力。

3 結論

（1）4343/0359E/7072高頻焊管復合板的釬焊抗下垂性能與復合板芯材合金釬焊前、后的組織形貌和晶粒尺寸密切相關。復合板釬焊前為長條狀晶粒組織，釬焊后形成粗大的扁長形晶粒，晶粒長徑比越大，其抗下垂性能越好。

（2）冷軋加工率、中間退火工藝均是影響高頻焊管復合板釬焊抗下垂性能的主要因素。在工業化條件下，控制冷軋加工率并與熱處理制度合理匹配，可以生產出滿足用戶使用要求的復合板產品。