Cu基和非Cu基釬焊不銹鋼機油冷卻器對比分析

蔣劍雄,孟祥晨,王典汪

1.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261000；2.浙江銀輪機械股份有限公司，浙江 天臺 317200

0 引言

隨著內燃機排放標準的不斷升級，尤其是國六排放標準的實施，對發動機排放提出了更高的要求。為了滿足國六排放標準，通常采取提升爆壓、提高噴射壓力、改善燃燒、廢氣再循環及熱管理等措施來降低發動機原排。但提升爆壓導致活塞熱負荷升高，鋁質活塞已經不能滿足使用要求，必須使用鋼活塞。為了給鋼活塞散熱，在鋼活塞內部設計內冷油道，由活塞冷卻噴嘴為內冷油道提供機油，利用機油散熱，保證鋼活塞的溫度不會過高。

機油與高溫活塞接觸后會出現機油焦化現象，附著在內冷油道表面形成積碳，影響活塞的傳熱效果[1-2]。試驗數據表明，積碳厚度增加100 μm,活塞溫度升高約30～40 ℃，所以必須控制積碳的生成[3]。根據相關研究以及發動機試驗數據表明，機油中的Cu能夠促進鋼活塞積碳生成，而機油中Cu主要來源于Cu基釬焊的不銹鋼機油冷卻器[4]，因此有必要開展對非Cu基釬焊不銹鋼機油冷卻器性能的研究。本文中主要從傳熱性能、可靠性、工藝性、經濟性以及市場應用等對Cu基和非Cu基釬焊不銹鋼機油冷卻器進行對比分析。

1 釬料的材料及性能對比

1.1 釬料材料

Cu基釬焊不銹鋼機油冷卻器是指采用以T2銅為釬焊劑的機油冷卻器，一般銅釬焊劑采用銅箔片或者銅直接復合在不銹鋼板表面。非Cu基釬焊不銹鋼機油冷卻器根據釬料的不同，又分為Ni基釬焊不銹鋼機油冷卻器、Fe基釬焊不銹鋼機油冷卻器和Mn基釬焊不銹鋼機油冷卻器。

由于Mn基釬焊釬料成本高昂，主要應用于航空航天領域，所以本文中不對Mn基釬料進行對比分析。Ni基釬料的化學成分及熔化特性見表1[5]，不同生產廠家的Fe基釬料的化學成分及熔化特性見表2[6]。

表1 常用的Ni基釬料的化學成分質量分數及熔化特性

表2 不同生產商的Fe基釬料的化學成分及熔化特性

1.2 力學性能

在高強化柴油機上，機油冷卻器是相對薄弱的零部件，考慮到換熱效率和輕量化的要求，機油冷卻器的力學性能尤為重要[7]。材料和工藝等影響機油冷卻器的力學性能，因此對比分析材料和工藝的力學性能具有重要意義[8-9]。

圖1為不同釬料的釬焊接頭力學性能對比。

a)抗拉強度 b)剪切強度 圖1 不同釬料的釬焊接頭力學性能對比

由圖1a)可知：Cu基釬焊接頭的抗拉強度超過350 MPa，而Ni基和Fe基釬焊接頭的抗拉強度分別約為225 MPa和215 MPa，Cu基釬焊接頭的力學性能最好，優于Ni基和Fe基釬焊接頭。由圖1b)可知：Cu基釬焊接頭剪切強度遠大于Ni基釬焊接頭和Fe基釬焊接頭。此外，焊縫間隙對焊接接頭強度的影響不明顯。

1.3 換熱性能對比

1.3.1 試驗方法

大功率強化發動機的熱負荷大，必須裝備機油冷卻器[10-11]。潤滑油經濾清器過濾后直接進入冷卻器，在冷卻器芯內流動，冷卻液在冷卻芯外流動[12-13]。2種液體在冷卻器內進行熱交換，使高溫潤滑油得以冷卻降溫[14]。

按照文獻[15]中的方法進行機油冷卻器傳熱性能試驗。熱介質為L-ECD15W/40級柴油機潤滑油，冷卻介質為水；加熱方式為電加熱，溫度采用無級調節裝置控制；流量計、溫度計及壓差計均按照標準執行。

1.3.2 試驗設計

機油冷卻器的結構形式、試驗條件、試驗工裝、試驗設備等均一致，僅釬料不同。試驗條件為：進油溫度為118 ℃，機油體積流量分別為2.4、3.6、4.8 m3/h，進水溫度為85 ℃，水體積流量為27 m3/h。

1.3.3 試驗結果

不同釬料的機油冷卻器性能試驗結果如圖2所示。由圖2可知：Ni基和Fe基釬焊不銹鋼機油冷卻器的換熱性能基本相同，相比Cu基釬焊不銹鋼機油冷卻器，Ni基和Fe基釬焊不銹鋼機油冷卻器的傳熱性能下降約6%左右，且隨機油流量的增大，其差距越大。

圖2 不同釬料的機油冷卻器性能結果

2 可靠性及耐久試驗對比

2.1 可靠性試驗

2.1.1 試驗方法

按照文獻[16]中的方法進行機油冷卻器可靠性試驗。機油冷卻器的結構形式、試驗條件、試驗工裝、試驗設備等均一致，僅機油冷卻器的釬料不同。

2.1.2 試驗內容及要求

1)靜壓爆破試驗

在2.5 MPa壓力下，保壓時間不少于5 min，機油冷卻器不泄漏、不變形、不破損;保壓完成后，繼續加大壓力(加壓速率為50 kPa/s)，直到爆破，要求其爆破壓力不小于5.5 MPa。

2)壓力脈沖試驗

先施加0.17～1.79 MPa壓力，脈沖頻率為2 Hz，經100萬次壓力循環；然后施加0.05～3.10 MPa壓力，脈沖頻率為2 Hz，經5000次壓力循環后，無泄漏和零件損壞。

3)振動試驗

機油冷卻器油腔和水腔內均充滿油，模擬冷卻器在使用情況下的安裝方式，在5～1000 Hz掃描共振頻率，以共振頻率作為試驗頻率，在x、y、z3個方向分別施加10g(g為自由落體加速度)加速度載荷，分別試驗12 h，無泄漏和零件損壞。

4)熱沖擊試驗

經過3000次120 ℃—20 ℃—120 ℃溫度交變循環后，無泄露、開焊和其它損壞。

2.1.3 試驗結果

按照上述試驗方法進行可靠性試驗，結果表明3種不同釬料的不銹鋼機油冷卻器均滿足可靠性試驗要求。其中靜壓爆破試驗分別制作了8組樣件進行對比測試，結果如圖3所示。由圖3可知：3種不同釬料的機油冷卻器的爆破壓力相差不大，但Cu基釬焊機油冷卻器的爆破壓力最大，其次是Ni基釬焊的，Fe基釬焊的最低。

圖3 靜壓爆破試驗結果

2.2 耐久試驗

對發動機進行初期耐久試驗，試驗結果如圖4所示。由圖4可知：Cu基釬焊機油冷卻器的機油中Cu含量較高，超過250 μg/g；Ni基和Fe基釬焊機油冷卻器的機油中Cu含量較低，低于50 μg/g。

圖4 不同釬料機油冷卻器在對機油中Cu含量的影響

3 工藝及經濟性對比

3.1 生產工藝

Ni基和Fe基不銹鋼機油冷卻器生產工藝一致，而Cu基的不銹鋼機油冷卻器生產工藝不同[17-18]。

1)Cu基釬焊機油冷卻器

Cu基釬焊不銹鋼機油冷卻器的生產工藝為：沖壓—清洗—合片—壓邊—疊片—裝夾—釬焊—壓平—靜壓—泄漏測試—終檢—打標—防銹—打包。

2)Ni基、Fe基釬焊機油冷卻器

Ni基、Fe基釬焊機油冷卻器不銹鋼機油冷卻器的生產工藝為：

相比Cu基釬焊機油冷卻器，Ni基和Fe基釬焊機油冷卻器的釬焊工藝缺點為：1)增加了涂膏(點膏)工藝；2)焊接工藝性差，導致涂層較厚，釬料的質量比Cu基高50%及以上；3)釬焊劑單價成本更高；4)無壓平工藝，由于Ni基和Fe基冷卻器壓平會導致焊縫開裂，所以不允許壓平；為保證平面度，一般采用不銹鋼底板來控制焊接變形或碳鋼底板和機加工工藝，2種工藝的成本均比壓平工藝高。

3.2 經濟性

以某13 L柴油發動機所采用WC202×97H15規格的不銹鋼機油冷卻器為例，釬料成本對比分析見表3。

表3 不同釬料的材料成本

由表3可知：Cu基釬焊不銹鋼機油冷卻器的釬料成本最低，Ni基和Fe基釬焊不銹鋼機油冷卻器的釬料成本是Cu基的數倍。再考慮工藝性帶來的差異，Ni基和Fe基機油冷卻器產品的最終成本比Cu基釬焊機油冷卻器高70%以上。

3.3 市場應用

根據統計，迄今為止，在國內柴油內燃機市場上，僅有康明斯和無錫柴油機廠的部分機型批量應用非Cu基釬焊不銹鋼機油冷卻器，其余內燃機生產企業均未在市場上推出裝配非Cu基釬焊不銹鋼機油冷卻器的機型。

4 結論

1)Cu基和非Cu基釬焊不銹鋼機油冷卻器的力學性能及可靠性等均滿足內燃機的使用需求。

2)Cu基釬焊不銹鋼機油冷卻器在力學性能、換熱性能、可靠性等方面均優于非Cu基釬焊不銹鋼機油冷卻器。

3)Cu基釬焊不銹鋼機油冷卻器制造工藝相對非Cu基釬焊不銹鋼機油冷卻器的簡單，原材料及制造成本低。

4)Cu基釬焊不銹鋼機油冷卻器在國內外內燃機市場上占主導地位；如果不解決成本問題，非Cu基釬焊不銹鋼機油冷卻器的推廣應用將受到限制。