水冷板散热器泄漏失效分析

朱单单，赵 飞，冯 洁

（1.贵州永红换热冷却技术有限公司，贵州 惠水 550600；2.贵州大学材料与冶金学院，贵州 贵阳 550025；3.贵州航空职业技术学院，贵州 贵阳 550009）

作为一种重要的换热设备，散热器被广泛应用在工业技术的众多领域，在冷却、加热及热量传递方面起着提高能源利用率的作用[1]。铝合金具备质量轻、导热能力强、耐蚀性好、易成型等优点，成为制备散热器最主要的材料。当前国内外散热器采用的是板翅式结构，并应用于风力发电、汽车工业以及航空航天领域。铝合金水冷板是一种单流体的热交换器，冷板通道采用有利于增强对流换热的肋表面几何形状，散热效率高[2]。

由于其优越的导热和机械性能，近年来水冷板散热器在航空航天和电子技术等领域得到广泛应用[3]。铝制水冷板散热器的钎料通常采用Al-Si钎料，基体材料为3003铝合金[4]。水冷板散热器生产工艺一般为先将基体材料与钎料除去氧化膜，清洗装夹后在钎焊炉中钎焊，最终通过表面处理得到产品。

1 失效散热器介绍

本文分析的失效水冷板散热器是国内某公司生产的某型水冷板散热器。生产工艺主要采用真空钎焊+激光焊的方法。冷板散热器主体材料为3003铝合金板，钎料为4004铝硅箔板，使用真空钎焊的方法来完成翅片与3003铝板的连接，真空钎焊完成后采用激光焊接再对封装板与冷板封条进行激光焊接得到冷板散热器模组框架，产品在完成组装模组后，进行质量检测时发现冷板激光焊接位置泄漏。

2 失效原因分析

2.1 宏观分析

采用气密性方法检查冷板散热器泄漏位置，并在水泡位置作上标记，记为泄漏点。将泄漏点位置局部切开。该位置钎焊质量良好，未发现有熔蚀、钎料流失等钎焊缺陷，但在激光焊缝区域发现有明显的气孔，初步判断该产品在激光焊焊缝位置存在焊接缺陷。

2.2 显微分析

采用高分辨率热场发射扫描电子显微镜（SEM，Zeiss,SUPRA 40）分析泄漏H点（见图1）的微观形貌（见图1：图1(b)为图1(a)H点放大）。由图1可知，激光焊接部位有气孔存在。初步分析该气孔是由于激光焊接工艺参数使用不当，导致焊缝未填满而形成的。焊缝存在的气孔往往会引起焊接结构件的综合力学性能降低，破坏焊接结构的致密性，严重时引起失效。

图1 冷板泄漏点H微观形貌

依据GBT/13298-2015金属显微组织检验方法，采用PMG3金相显微镜分析失效件的金相组织。图2为图3所对应的金相组织。

由图2a、b、c可知基体材料晶粒组织正常，未发现有夹杂或者针孔等冶金缺陷存在。如图2d-h所示焊缝区为典型的铝合金激光焊组织：由焊缝中心区（等轴枝晶区）、熔合区（柱状枝晶区）和热影响区组成，晶粒细小均匀，未发现有异常组织，但在熔合线附近发现有少量的气孔存在，该气孔的可能是导致冷板的泄漏的原因。

图2 泄漏点及激光焊缝截面金相组织

2.3 EDS分析

对泄漏点采用EDS进行化学成分分析，结果如图3及表1所示。其中谱图3为钎料与基体材料连接处，其余能谱点为激光焊接位置。

从图3及表1数据可知：该失效水冷板散热器泄漏孔周围主要存在Al、Fe、Mn等化学元素，主要来源于基体材料，在能谱点1～4及能谱点6没有检测到Si元素，表明该泄漏孔周围没有钎料流失等钎焊缺陷存在。

表1 图3中EDS结果（质量分数,%）

图3 典型区域的EDS能谱结果

综上分析该水冷板散热器在激光焊缝位置存在气孔缺陷，影响了散热器的气密性，导致散热器发生泄漏。

3 结论与建议

该水冷板散热器在完成真空钎焊后，对封装板与水冷板封条采用激光焊接完成水冷板散热器模组框架生产时，由于激光焊接工艺参数使用不当，在焊缝冷凝过程中形成较大尺寸的缩孔，破坏了散热器的气密性，导致散热器发生泄漏。建议优化水冷板的激光焊接工艺参数，避免焊接接头出现明显缩孔，进而彻底解决水冷板在激光焊接位置发生泄漏。