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(wèi)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(fā)動機潤滑油穩(wěn)定潤滑系統(tǒng)、提高汽車發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性，是汽車熱交換系統(tǒng)中保障發(fā)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(fā)展，鋁合金已經(jīng)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(tǒng)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(tǒng)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(zhì)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(fā)現(xiàn)，6 系鋁合金真空釬焊后表面顏色發(fā)青，也極易表面氧化而發(fā)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(fā)現(xiàn)法蘭板上沖壓孔周圍外表面經(jīng)常出現(xiàn)釬料堆積的現(xiàn)象，使表面顏色發(fā)暗且凹凸不平，此缺陷一般稱為溢料。該現(xiàn)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(xiàn)象進行分析，探討其產(chǎn)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(tài)為O 態(tài)，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(qū)域宏觀形貌、顯微組織進行觀察，并和未溢料區(qū)域進行對比。為了改善溢料對材料的生產(chǎn)工藝進行優(yōu)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(zhì)量分數(shù)/%）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(qū)域有明顯的區(qū)別，主要表現(xiàn)為框線處顏色較正常區(qū)域深，表面粗糙，有顆粒感，此現(xiàn)象一般稱為溢料。圖3 是溢料區(qū)域和正常區(qū)域表面的SEM圖，能譜分析結果見表2。對比結果可以發(fā)現(xiàn)，溢料區(qū)域表面凹凸不平，較為粗糙，正常區(qū)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(qū)域O，Si，C 元素含量較正常區(qū)域高，表明釬焊后此區(qū)域可能發(fā)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(qū)域的截面進行觀察。圖4 是溢料區(qū)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(qū)域和正常區(qū)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(zhì)量分數(shù)/%）Tab.2 EDS analysis results (mass fraction/%)

圖 4 溢料區(qū)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(chǎn)生溢料主要是因為釬焊過程中焊料發(fā)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(yè)化生產(chǎn)中，在合金結構和釬焊工藝不易改變的情況下，通過調(diào)整生產(chǎn)工藝，改善材料的晶粒尺寸是一種較為經(jīng)濟和適用性較廣的方案。焊料的流動要經(jīng)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(chǎn)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(jīng)熱軋后，組織為內(nèi)部存在亞晶粒、位錯、應力等變形組織，變形儲能較高，后續(xù)經(jīng)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(qū)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(qū)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(chǎn)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(xiàn)象，顏色同其他區(qū)域無明顯區(qū)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(qū)域和正常區(qū)域表面的SEM圖和能譜分析結果?？梢钥吹?，原溢料區(qū)域的表面形貌和正常區(qū)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(qū)域O，Si，C 元素含量與正常區(qū)域相似，釬焊后此區(qū)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?？梢钥闯觯纳坪?063 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(chǎn)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(shù)量越多，焊料流動越明顯，產(chǎn)生溢料的風險也就越大。增加中間退火后，再結晶驅(qū)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(shù)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(jīng)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(chǎn)生。工業(yè)化生產(chǎn)中，應當綜合考慮材料選材、生產(chǎn)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(chǎn)生溢料，主要是因為釬焊過程中熔化后的焊料發(fā)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(qū)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(shù)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。