汽車層疊式真空釬焊油冷卻器制造工藝

潘 勇，肖發全

(貴州貴航股份公司永紅散熱器公司，貴州 貴陽 550009)

0 引言

層疊式真空釬焊油冷卻器是NOCOLOK釬焊油冷卻器的替代產品。相比較而言，具有產品焊后內腔清潔、質量穩定性高、焊后成型優良等優點，逐漸成為汽車行業的主流產品，具有廣闊的市場前景。與此同時，工藝難度也相對較大，要求生產過程滿足零件之間具有精密的小間隙配合；適合真空釬焊特點的夾具；裝配過程質量穩定；清潔的零件狀態；適合油冷器特點的真空爐及釬焊參數等條件，才能制造出穩定可靠的合格產品，滿足大批量生產的要求。

1 技術難點分析

該產品為汽車上的安全件，可靠性要求較高。爆破壓力要求大于4 MPa，壓力交變通過50萬次，焊縫釬著率>60%。對焊縫的氣密性及整體強度要求較高。

圖1 層疊式油冷器爆破圖

產品內腔清潔度要求雜質重量小于10 mg。因此焊后內腔不能存在釬劑殘留，只能選擇無釬劑的真空釬焊工藝。

該產品為多層重疊封閉式結構。焊接時產品內外溫差大，容易出現外表面過燒，內部虛焊的焊接缺陷，可焊的參數區間較窄。

鋁真空釬焊工藝對釬焊間隙的要求較高，對零件的配合精度提出了較高的要求。鋁真空釬焊間隙大小是影響釬焊焊縫致密性和接頭強度的關鍵因素之一。在釬焊溫度段，釬料熔化潤濕母材，由于兩者之間的接觸角θ<90°，形成凹液面。液面上的表面張力不能相互抵消，形成指向凹液面曲率中心的合力，稱為附加壓力，釬料在附加壓力的作用下，在母材間隙間形成毛細作用。依據毛細現象液面高度上升公式：

h=2σ/ρgr

式中：h為液面上升高度；σ為液態釬料的表面張力；ρ為液態釬料密度；g為重力加速度；r為間隙的半徑。可知間隙越小，毛細作用越強，也就是釬料流動，填滿間隙的能力越強。在釬焊過程中，如果一段釬料的兩端間隙不均勻，則附加壓力的方向將指向間隙小端一側，液態釬料將向小端方向流動。造成間隙大端一側沒有足夠釬料填充縫隙，這同整段焊縫間隙偏大所造成的影響是一樣的。都可能會產生釬著率不高，焊縫強度弱，甚至泄漏的缺陷[1]。在不影響釬料填充的前提下，釬焊間隙越小越好。一般要求小于0.05 mm且間隙均勻。

鋁真空釬焊要求焊接過程中，夾具能夠對焊接面提供持續壓力，以彌補釬料熔化后帶來的間隙變化。夾具結構相對復雜，制造精度要求較高。

2 工藝控制要點

2.1 零件匹配及模具的設計要點

波紋板的長度須按波長的整數倍進行設計，以保證沖裁斷面在波谷位置。同時沿周與筋片保留0.5 mm以上間隙，避免與筋片根部發生干涉從而導致泄漏。每個層疊單元的壓縮量按照筋片釬料層厚度的1.2～1.5倍進行設計。一方面補償釬料熔化后的厚度減薄，另一方面在釬焊時對焊接面施加適當壓力，在不造成過度變形的前提下，有利于保證焊縫釬著率及焊縫強度。各焊接面的焊接間隙按0～0.02 mm進行設計，以保證焊接和裝配的綜合要求。

筋片成型模陰陽模間隙按材料公稱厚度的95%進行設計，以減少材料回彈及消除材料公差對零件精度的影響。

2.2 真空釬焊焊前清理

鋁合金的釬焊對工件表面的清潔有較高的要求，必須在釬焊前將零件表面油污去除干凈。采用了環保高效的碳氫清洗機完成此道工序。清洗后的零件采用達因筆進行清潔度測試，清洗好的零件必須要進行防塵、防潮處理。

2.3 釬焊夾具及裝配

夾具材料選用1Cr18Ni9Ti，具有吸熱導熱性好、熱彈性好的特點，在釬焊溫度下仍有足夠的強度，是較便宜的工裝材料，在生產上普遍應用。鉻鎳鐵合金，鎳高溫合金等在600 ℃仍具有彈性，是釬焊工裝夾具的理想材料[2]。但價格相對較高，成本上不適合大量使用。在保證夾具足夠剛性時考慮盡量減重，結構簡潔，減少吸熱量。使用耐高溫彈簧作為壓力元件，在焊接過程中對焊接面提供持續壓力。夾具首次使用前須進行清洗及600 ℃高溫處理。

產品采用自動疊片機進行裝配，保證裝配質量一致性。裝配機具有防錯漏裝功能。

2.4 真空釬焊工藝

2.4.1 真空釬焊爐

該產品要求真空釬焊爐具有良好的爐溫均勻性和極大的抽速。要求極限真空度為5×10-4Pa。產品入爐后，短時間內要達到加熱開啟真空度3×10-3Pa，釬焊段真空度達到1×10-3Pa。才能保證母材和釬料不被氧化，釬料有效的潤濕母材，順利實現釬焊。

要求真空釬焊爐壓升率 <0.2 Pa·h-1，以確保焊接出質量較高的鋁合金產品。在500～ 600 ℃升溫階段升溫速率對焊接質量有重要影響，要求真空釬焊爐具有較大的升溫速率。

如果真空釬焊爐超過一個月未使用，應讓真空釬焊爐進行烘爐后再正式使用。生產過程中，應控制爐門開啟的時間盡可能短，使爐內真空度能夠較快達到開啟加熱的要求。

2.4.2 釬料

零件基體的材質是3005，固-液相線溫度范圍是 643～ 654 ℃，屬Al-Mn系合金，具有良好的抗腐蝕性。包覆層材質為4104，固-液相線溫度范圍是560～ 590 ℃。包覆層厚度10%～15%，是以Al-Si合金為基礎，具有良好的潤濕性和流動性。同時含有1%～2%的Mg元素，取代釬劑，起到了去除氧化膜的作用，從而避免了焊后清理釬劑殘留的問題，保證了產品的內腔清潔度。在高溫高真空的環境中(通常為10-3Pa數量級)，由于鋁的膨脹使金屬表面的氧化膜產生破裂，釬料中的鎂與氧化膜中的氧結合，置換出鋁。同時，鎂進入母材，形成比表面氧化膜熔點更低的新的合金，先于氧化膜熔化，從而使氧化膜脫離母材，露出新鮮的鋁表面。釬料在純凈的鋁表面潤濕和流動，在毛細力的作用下填滿間隙，與母材結合，形成新的合金。凝固后，形成牢固的釬焊接頭。鎂元素的含量也不能太高，否則會產生漫流。同時，降低焊縫強度。

2.4.3 真空釬焊參數設置

采用450 ℃、560 ℃、603 ℃、595 ℃四個階段進行升、降溫，實驗效果較好，減小內外部溫度梯度，避免外部過燒，內部虛焊的焊接缺陷。同時，保證爐內真空度在釬焊段能夠達到產品的焊接要求。在接近釬料液相線溫度時，適當提高升溫速率有利于釬料的充分熔化[3]。由于該產品芯體尺寸較大，內外溫差大，在釬焊段，將爐溫快速升到超過釬料液相線10～15 ℃左右，待產品外部溫度接近釬料液相線時，將爐溫快速降低到液相線以上5 ℃左右進行保溫，是避免外部保溫時間過長，產生漏焊、漫流等缺陷及提高生產效率的有效方法。

2.4.4 真空釬焊保溫

釬焊保溫時間是釬料填充間隙和控制合金化作用的重要階段。實驗表明，在450 ℃適當延長保溫時間，對保證釬焊段時的爐內真空度，保證焊接過程順利進行，減少釬料在產品外部的顆粒狀堆積效果明顯。在釬焊段，將保溫溫度設置在釬料液相線以上5 ℃，保溫時間控制在產品內部達到釬料液相線溫度以后2 min左右，取得較好效果。保溫溫度過高，外部出現漏焊、漫流，也容易造成整爐產品的狀態差異大；溫度過低，產品升溫速度慢或是產品達不到所需溫度，造成焊縫強度低；保溫時間過長，釬料漫流，產品外觀差；保溫時間過短，釬料中的Si元素來不及均勻擴散到母材中，與釬料中的Al或其他元素形成共晶組織或者形成Si的偏聚組織[4]，造成焊縫強度低，不能通過爆破測試。嚴重時，直接造成產品內部溫度過低，產品竄腔泄漏。

2.4.5 產品降溫出爐

保溫結束后，向爐內充入氮氣快速冷卻。促使焊縫快速凝固，既能避免釬料漫流或漏焊缺陷，又能提高生產效率。產品溫度降到480 ℃以下時，可以出爐自然冷卻。

3 試驗分析

3.1 金相測試

圖2 內腔焊縫金相圖

對產品各處焊縫進行解剖、研磨、拋光，然后在顯微鏡下進行觀察。無明顯的溶蝕和未熔合等缺陷，沒有發現明顯的共晶組織和偏聚物。以內腔焊縫金相為例，焊縫致密飽滿，焊縫釬著率達到90%以上。

3.2 爆破測試

抽取數件試驗產品固定在爆破試驗臺上，對產品內腔持續升壓，直至爆破。爆破壓力為9.54～10.41 MPa。

3.3 壓力交變測試

將試驗產品固定在壓力交變試驗臺上，以1.7 Hz頻率對產品內腔持續施加0.1 bar-14.1 bar-0.1 bar循環壓力。循環次數達到133萬次，未發生泄漏。

3.4 內腔清潔度測試

將需要試驗的產品安裝在清潔度試驗臺上，以2 L/min的流量，對產品內腔進行正向和反向各3 min的沖洗，對沖洗出來的雜質進行過濾，稱重。雜質重量2.3 mg，符合標準要求。

4 總結

經過研制，該產品的合格率達到98%以上，各項產品性能參數均達到要求。產品焊后尺寸變形小，不需校正；內腔清潔，不需要清洗。已順利實現批量生產。