家用空調冷凝器復合翅片生產技術改進

黃美艷，王立新，郭飛躍，楊 杰

（乳源東陽光優艾希杰精箔有限公司，乳源 512600）

0 前言

微通道換熱器應用從最初的電子元件冷卻到汽車空調，然后進入家用、商用制冷空調等領域。所謂微通道換熱器，其較為通行、直觀的定義為水力直徑小于1 mm 的換熱器[1-3]。如圖1 所示，微通道換熱器主要由3部分組成，即內部具有多個平行孔的扁管、集流管（又稱頭管） 以及翅片[4]。

圖1 微通道換熱器結構示意圖

微通道換熱器以其體積小、重量輕、結構緊湊、耐高壓、熱阻低、熱交換效率高等特點受到越來越多的關注，成為相關領域的一個研究熱點，其生產技術在汽車空調業已相當成熟，家用空調行業可以借鑒。然而因全鋁平行流熱交換器的應用環境和工況有別于傳統的熱交換器，其技術仍然需要持續改進和驗證，而鋁合金在替代革新過程中的抗腐蝕性能已經引起越來越多人的關注。材料的抗腐蝕性很大程度上決定了產品后期在使用過程中的壽命[5]。汽車空調冷凝器大多布置在汽車頭部或側面、車底，經常被地面灰塵、泥漿或砂石等濺上和侵入，導致冷凝器外表積滿灰塵或泥垢，冷凝器管子容易受酸性物質腐蝕而爛穿。同時，汽車在使用過程中的震動也對汽車冷凝器中管、翅片等的設計提出較高要求。而家用空調主要是受到灰塵、雨水的侵蝕，又由于其工作環境相對穩定，不同于汽車能夠利用流動空氣氣流解決其冷凝水珠的搭橋和凝露，所以在相對靜止環境中盡量延長空調的使用壽命，設計合理的翅片材料得到翅片與微通道管材最佳的電位匹配以便更好地保護管料并延長其使用壽命是非常必要的。

本文研究在冷凝器翅片釬料合金4343 中加入一定量Cu 元素，制成三層復合鋁箔材，利用拉伸試驗機、抗下垂性能檢測裝置、金相顯微鏡、SWAAT 鹽霧腐蝕試驗等測試手段對比分析了4343釬焊料合金中加入一定量Cu 元素對復合翅片力學性能、組織及其耐腐蝕性能的影響。

1 試驗方法

1.1 材料

將純鋁、Al-Si 中間合金、錳劑、純Zn等原材料熔鑄成4343、4343+0.4%Cu、3003MOD 鑄錠后，經過4343/4343+0.4%Cu 皮材切板、焊合、熱軋、冷軋、中間退火、箔軋等工藝流程制成0.08 mm 厚的鋁箔。合金的化學成分見表1。

表1 試驗用鋁合金成分（質量分數/%）

1.2 實驗條件和過程

為了模擬冷凝器的制造過程，分別將4343+3003MOD 復合鋁箔及（4343+0.4%Cu）+3003MOD復合鋁箔放在箱式電阻爐進行模擬釬焊熱處理（600 ℃，10 min）。將復合鋁箔分條后與擠壓管等組裝成小型微通道冷凝器工件經釬焊后進行SWAAT 鹽霧腐蝕試驗（100 h、300 h）。

1.3 組織性能檢測

取200 mm×25 mm×0.08 mm 規格樣片經過鑲嵌并機械磨制、陽極覆膜并使用酸性腐蝕液進行腐蝕后用GX51 金相顯微鏡觀察試樣的顯微組織。拉伸試驗在CMT6104 萬能拉伸試驗機上進行，拉伸起始速度4 mm/min，當位移達到0.5 mm 時，切換速度為10 mm/min；當位移達到2.5 mm 時，切換速度為30 mm/min 至試驗結束。每種合金重復做2組拉伸測試，最終結果取平均值。下垂高度使用以下裝置檢測（見圖2），伸出長度為50 mm，每種合金取3 片檢測，最終結果取平均值。

圖2 抗下垂高度檢測裝置

2 結果與討論

2.1 微觀結構

4343 鋁合金鑄態的微觀組織金相如圖3 和圖4 所示，為典型的枝晶組織，由大量樹枝狀α-Al晶胞和枝晶間針片狀的Al-Si 共晶相組成。晶界及晶粒內部分布著白色或灰色針片狀的第二相，為β-Al5FeSi 相[6]。在凝固過程中，部分Mn 元素溶入β-Al5FeSi 相中，形成點狀或漢字狀的α-Al15（Mn，Fe）3Si2相[7-8]。在4343 合金中添加0%~1.0%的Cu 后，鑄態組織變化不明顯。在Al-Si-Cu合金中，含量低于5.7%的Cu 主要以塊狀Al2Cu 相或共晶（Al+Al2Cu）相的形式存在，或彌散分布在α-Al 基體中[9]，或以針狀Al-Si共晶、β-Al5FeSi 相等為形核點附著在第二相上[10]。

圖3 4343鑄態組織

圖4 （4343+0.4%Cu）鑄態組織

2.2 力學性能

4343+3003MOD 及（4343+0.4%Cu）+3003MOD復合鋁箔釬焊前后的力學性能見表2。因4343 鋁合金在610 ℃×10 min 模擬釬焊過程中被熔化，且只有單面10%的含量，故對基體的力學性影響不大，（4343+0.4%Cu）+3003MOD 復合鋁箔的性能稍高。

表2 復合鋁箔的拉伸性能

2.3 抗下垂性能

抗下垂性能是一個綜合反映復合釬焊鋁箔質量的指標，高溫釬焊時，熔融的皮材對芯材的熔蝕作用是導致復合箔出現變形和塌陷的重要原因，而釬焊時芯部金屬獲得何種組織則決定了復合箔抗下垂性能的好壞[11]。兩種合金僅皮材不同，芯材相同，故抗下垂性能無明顯差異（見表3）。

表3 復合箔的抗下垂性能/mm

2.4 SWAAT 鹽霧腐蝕結果

釬焊后外觀正常，芯體無收縮變形；翅片焊點明顯且無倒翅變形的情況，見圖5。

圖5 釬焊后芯體情況

冷凝器SWAAT 鹽霧腐蝕100 h 后芯體無明顯變形，外觀無脫翅現象，表面有積鹽，取樣做金相觀察了解腐蝕情況，結果如圖6所示。

圖6 釬焊后芯體SWAAT 鹽霧腐蝕100 h金相組織

從圖6 金相圖中可以看出，翅片焊點被明顯腐蝕，且50%以上翅片焊點脫離，其中4343+3003MOD 復合翅片焊點脫離更嚴重，翅片根部有明顯晶間腐蝕，翅片根部以外無明顯晶間腐蝕現象。

統計焊點脫落率見表4，4343+3003MOD 合金脫翅率稍高于（4343+0.4%Cu）+3003MOD。

表4 焊點脫落率

冷凝器SWAAT 鹽霧腐蝕300 h 后芯體輕微變形，表明有明顯積鹽，芯體翅片無破損、粉化、脫落情況。取樣做金相分析，觀察腐蝕情況，見圖7。

圖7 釬焊后芯體SWAAT 鹽霧腐蝕300h金相組織

從圖7 金相圖中可見，經SWAAT 鹽霧腐蝕試驗300 h 后，翅片焊點全部有腐蝕脫離，翅片根部有明顯晶間腐蝕。其中4343+3003MOD 合金的非翅片根部可見明顯晶間腐蝕，（4343+0.4%Cu）+3003MOD 非翅片根部的晶間腐蝕較輕微。從上述SWAAT 鹽霧腐蝕試驗結果可見，皮材4343 中加入0.4%Cu后，耐腐蝕性較好。

這是因為：4343 合金在釬焊過程中發生熔化并在表面張力、重力和其它效應的作用下產生流動，形成接頭即焊接區（見圖8）。鋁合金的釬焊區主要由α（Al）固溶體和α（Al）+Si 雙相共晶相組成[12-13]。

圖8 焊接區

當在4343 合金中添加0.4%的Cu 時，一部分Cu 元素固溶在基體中，起到一定的固溶強化效果，另一部分Cu 元素以Al2Cu 相形式存在，提高了焊接區的強度。同時Cu 能夠提高釬焊區的電位，降低釬焊區與翅片間的電位差，防止焊接區過早被腐蝕；另外，Cu 元素能夠使點腐蝕變成全面的均勻腐蝕，從而提高整個工件的耐腐蝕性。

3 結論

（1）在復合鋁箔的4343 鋁合金中添加0.4%的Cu，其微觀結構、力學性能及下垂性能基本無差異。

（2）在復合鋁箔的4343 鋁合金中添加0.4%的Cu 時，SWAAT 鹽霧腐蝕結果較4343+3003MOD好，耐腐蝕性能更優，該釬焊料適合于家用空調冷凝器用復合翅片。