水冷板散熱器泄漏失效分析

朱單單，趙 飛，馮 潔

（1.貴州永紅換熱冷卻技術(shù)有限公司，貴州 惠水 550600；2.貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；3.貴州航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550009）

作為一種重要的換熱設(shè)備，散熱器被廣泛應(yīng)用在工業(yè)技術(shù)的眾多領(lǐng)域，在冷卻、加熱及熱量傳遞方面起著提高能源利用率的作用[1]。鋁合金具備質(zhì)量輕、導(dǎo)熱能力強(qiáng)、耐蝕性好、易成型等優(yōu)點(diǎn)，成為制備散熱器最主要的材料。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外散熱器采用的是板翅式結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、汽車工業(yè)以及航空航天領(lǐng)域。鋁合金水冷板是一種單流體的熱交換器，冷板通道采用有利于增強(qiáng)對(duì)流換熱的肋表面幾何形狀，散熱效率高[2]。

由于其優(yōu)越的導(dǎo)熱和機(jī)械性能，近年來(lái)水冷板散熱器在航空航天和電子技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3]。鋁制水冷板散熱器的釬料通常采用Al-Si釬料，基體材料為3003鋁合金[4]。水冷板散熱器生產(chǎn)工藝一般為先將基體材料與釬料除去氧化膜，清洗裝夾后在釬焊爐中釬焊，最終通過(guò)表面處理得到產(chǎn)品。

1 失效散熱器介紹

本文分析的失效水冷板散熱器是國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的某型水冷板散熱器。生產(chǎn)工藝主要采用真空釬焊+激光焊的方法。冷板散熱器主體材料為3003鋁合金板，釬料為4004鋁硅箔板，使用真空釬焊的方法來(lái)完成翅片與3003鋁板的連接，真空釬焊完成后采用激光焊接再對(duì)封裝板與冷板封條進(jìn)行激光焊接得到冷板散熱器模組框架，產(chǎn)品在完成組裝模組后，進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)冷板激光焊接位置泄漏。

2 失效原因分析

2.1 宏觀分析

采用氣密性方法檢查冷板散熱器泄漏位置，并在水泡位置作上標(biāo)記，記為泄漏點(diǎn)。將泄漏點(diǎn)位置局部切開。該位置釬焊質(zhì)量良好，未發(fā)現(xiàn)有熔蝕、釬料流失等釬焊缺陷，但在激光焊縫區(qū)域發(fā)現(xiàn)有明顯的氣孔，初步判斷該產(chǎn)品在激光焊焊縫位置存在焊接缺陷。

2.2 顯微分析

采用高分辨率熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，Zeiss,SUPRA 40）分析泄漏H點(diǎn)（見(jiàn)圖1）的微觀形貌（見(jiàn)圖1：圖1(b)為圖1(a)H點(diǎn)放大）。由圖1可知，激光焊接部位有氣孔存在。初步分析該氣孔是由于激光焊接工藝參數(shù)使用不當(dāng)，導(dǎo)致焊縫未填滿而形成的。焊縫存在的氣孔往往會(huì)引起焊接結(jié)構(gòu)件的綜合力學(xué)性能降低，破壞焊接結(jié)構(gòu)的致密性，嚴(yán)重時(shí)引起失效。

圖1 冷板泄漏點(diǎn)H微觀形貌

依據(jù)GBT/13298-2015金屬顯微組織檢驗(yàn)方法，采用PMG3金相顯微鏡分析失效件的金相組織。圖2為圖3所對(duì)應(yīng)的金相組織。

由圖2a、b、c可知基體材料晶粒組織正常，未發(fā)現(xiàn)有夾雜或者針孔等冶金缺陷存在。如圖2d-h所示焊縫區(qū)為典型的鋁合金激光焊組織：由焊縫中心區(qū)（等軸枝晶區(qū)）、熔合區(qū)（柱狀枝晶區(qū)）和熱影響區(qū)組成，晶粒細(xì)小均勻，未發(fā)現(xiàn)有異常組織，但在熔合線附近發(fā)現(xiàn)有少量的氣孔存在，該氣孔的可能是導(dǎo)致冷板的泄漏的原因。

圖2 泄漏點(diǎn)及激光焊縫截面金相組織

2.3 EDS分析

對(duì)泄漏點(diǎn)采用EDS進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如圖3及表1所示。其中譜圖3為釬料與基體材料連接處，其余能譜點(diǎn)為激光焊接位置。

從圖3及表1數(shù)據(jù)可知：該失效水冷板散熱器泄漏孔周圍主要存在Al、Fe、Mn等化學(xué)元素，主要來(lái)源于基體材料，在能譜點(diǎn)1～4及能譜點(diǎn)6沒(méi)有檢測(cè)到Si元素，表明該泄漏孔周圍沒(méi)有釬料流失等釬焊缺陷存在。

表1 圖3中EDS結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù),%）

圖3 典型區(qū)域的EDS能譜結(jié)果

綜上分析該水冷板散熱器在激光焊縫位置存在氣孔缺陷，影響了散熱器的氣密性，導(dǎo)致散熱器發(fā)生泄漏。

3 結(jié)論與建議

該水冷板散熱器在完成真空釬焊后，對(duì)封裝板與水冷板封條采用激光焊接完成水冷板散熱器模組框架生產(chǎn)時(shí)，由于激光焊接工藝參數(shù)使用不當(dāng)，在焊縫冷凝過(guò)程中形成較大尺寸的縮孔，破壞了散熱器的氣密性，導(dǎo)致散熱器發(fā)生泄漏。建議優(yōu)化水冷板的激光焊接工藝參數(shù)，避免焊接接頭出現(xiàn)明顯縮孔，進(jìn)而徹底解決水冷板在激光焊接位置發(fā)生泄漏。