加工工艺对散热器用铝合金翅片钎焊熔蚀性能的影响

曹 琦，刘二磊，张 斌，周德敬

（1.银邦金属复合材料股份有限公司，江苏 无锡 214145；2.中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410083）

铝合金由于密度低、强度高、导热性能好、耐腐蚀性能优异以及成本较低等优点，在热交换器领域得到了广泛的应用。散热器一般位于汽车前端迎风处，所处的工作条件恶劣，不仅要经受风吹雨淋和汽车排出的废气以及沙土、泥浆的污染，而且还要承受反复的热循环和周期性的振动。其次，散热器内长期流动着冷却液，对散热器有锈蚀及腐蚀作用，而且随着汽车发动机转速和功率的不断提高，热负荷也愈来愈大，对散热器的性能要求也愈来愈高。

铝质散热器的主要制造工序是钎焊。在钎焊过程中，完成板、管、翅片的焊接，充当钎料的皮材中的Si 向翅片中扩散造成熔蚀。熔蚀是铝合金散热器钎焊过程中常见的现象，Si 扩散的深度越深，熔蚀率越大，被熔蚀的翅片厚度越多，剩余支撑散热器结构强度的厚度越少，翅片的抗下垂性能越低，造成散热器的结构强度越低，使用寿命越短。由此可见，铝合金翅片材料的耐熔蚀性能极大地影响着散热器的结构强度和使用寿命。由于翅片在钎焊过程中需要承受600 ℃以上的高温，因此需要具有良好的高温抗下垂性能，这需要材料具备良好的耐熔蚀性能。Ryu 等研究发现，粗大的再结晶晶粒尺寸可以有效阻碍Si 的扩散，减少熔蚀的产生，从而提高翅片的抗下垂性能，增加散热器的结构强度和使用寿命。

1 试 验

铝合金翅片材料的化学成分如下表1 所示。

表1 化学成分（质量百分数/%）Tab.1 Chemical composition (mass fraction/%)

制备工艺共采用两种方案，冷轧采用连续铸轧工艺生产的厚度为6.000 mm 的铝合金坯料，翅片材料成品厚度为0.070 mm，状态为H16，工艺路径详见如下：

方案1：铸轧厚度6.000 mm—冷轧至厚度4.200 mm—冷轧至厚度0.116 mm—中间退火—冷轧至厚度0.070 mm。

方案2：铸轧厚度6.000 mm—冷轧至厚度4.200 mm—高温中间退火—冷轧至厚度0.155 mm—中间退火—冷轧至厚度0.070 mm。

其中，高温中间退火工艺为560 ℃保温5 h，中间退火工艺为420 ℃保温5 h。

化学成分检测采用Thermo Fisher America ARL3460 光电直读光谱仪，力学性能检测采用Zwick/Roell Germany Z020 型拉伸试验机，模拟钎焊及抗下垂性能数值检测采用KBF11Q 可控气氛马弗炉，金相检测采用 ZEISS Germany AxioImager.A2m 型金相显微镜。拉伸试样尺寸如图1 所示。

图1 拉伸试样尺寸Fig.1 Dimension of the tensile specimen

图中：为试样总长度；为平行长度；为原始标距；为矩形横截面试样平行长度的原始宽度；为夹持头部的宽度；为圆弧半径。

2 试验结果及分析

2.1 模拟钎焊前力学性能

对两种方案制备的铝合金翅片材料进行模拟钎焊前的力学性能检测，结果见表2。

从表2 可以看出，方案2 在冷轧一道次后增加了高温中间退火，虽然将最后一道次加工率由39.7%提升到了54.8%，但其抗拉强度和屈服强度相比于无高温中间退火的方案1 的仍有明显降低，抗拉强度降低9.8 MPa，屈服强度降低5.1 MPa。

表2 钎焊前力学性能Tab.2 Mechanical properties before brazing

2.2 模拟钎焊后力学性能

将两种方案制备的翅片材料放入马弗炉中进行模拟钎焊，模拟钎焊工艺为：室温升至590 ℃用时35 min，590 ℃保温5 min，总时间为40 min。模拟钎焊后对力学性能进行检测，结果见表3。

从表3 可以看出，方案2 试样抗拉强度为115.2 MPa，高于方案1 的109.9 MPa；方案2 试样伸长率为12.2%，明显高于方案1 的8.0%，表明方案2 所得试样的塑性更好，成形性能更优；方案2 所得试样屈服强度为45.2 MPa，略低于方案1 的47.3 MPa。

表3 钎焊后力学性能Tab.3 Mechanical properties after brazing

2.3 抗下垂性能

首先制作抗下垂性能检测的样片，样片长度为100 mm，长度方向为材料冷轧的轧制方向，宽度为22 mm。将样片固定在试验装置上，固定端至自由端的长度为50 mm，测量此时试样端部距平台的距离1，然后将试验装置平稳放入马弗炉中，完成此试验后将试验装置移出炉外空冷并测量此时试样端部距平台的距离2，通过公式计算出抗下垂性数值。

式中：为抗下垂值；1 为模拟钎焊前试样端部距平台的距离；2 为模拟钎焊后试样端部距平台的距离。

抗下垂性能检测温度试验工艺：室温升至577 ℃用时10 min，577 ℃升至600 ℃用时6 min，600 ℃保温5 min，试验装置如图2 所示。抗下垂性能数值检测结果见表4。

图2 抗下垂性能检测试验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of sagging resistance test device

从表4 可以看出，方案2 时抗下垂值为22.0 mm，大于方案1 的19.5 mm，表明方案1 的抗下垂性能略优于方案2 的。

表4 抗下垂性能数值Tab.4 Sagging resistance values

2.4 钎焊前后金相组织

采用金相显微镜分别对两种方案制备的0.070 mm 厚的铝合金翅片材料沿轧制方向的表面、截面进行偏振光金相组织检测。钎焊前金相组织如图3 所示，钎焊后金相组织如图4 所示。

图3 钎焊前表面、截面金相组织结果显示：方案1、方案2 试样均为未完全破碎的再结晶晶粒，有明显的轧制纤维状组织，为典型的H16 状态晶粒；方案1 的晶粒为长条状，每个截面厚度方向分布2 层晶粒，经测算，晶粒尺寸大于800 μm，方案2 的晶粒较为细小，每个截面厚度方向分布2～3 层晶粒，经测算，晶粒尺寸为150～300 μm。

图3 钎焊前金相组织Fig.3 Metallographic structures before brazing

图4 钎焊后表面、截面金相组织结果显示：方案1、方案2 试样均为明显的完全再结晶晶粒；方案1 仍为长条状晶粒，与钎焊前相比尺寸无明显差异，晶粒尺寸仍然大于800 μm，方案2 试样则在钎焊后变的更为细小，大部分厚度方向分布约为3 层晶粒，晶粒尺寸为100～400 μm。

图4 钎焊后金相组织Fig.4 Metallographic structures after brazing

2.5 钎焊过程中熔蚀

将两种方案制备的0.070 mm 厚的铝合金翅片材料加工成翅片，与带有钎焊层的折叠管组装后进行钎焊，钎焊工艺同2.2 的模拟钎焊工艺。钎焊后从散热器上切块、镶样后采用金相显微镜进行熔蚀形貌检测。检测结果如图5 所示。方案2 所得试样熔蚀情况良好部位的晶粒如图6 所示。

图5 结果显示：方案1 所得试样出现了局部贯穿熔蚀，即熔蚀率100%，平均熔蚀率约50%；方案2 所得试样局部熔蚀率最大为65%，未出现贯穿腐蚀，平均熔蚀率约30%。总体来看，方案2 的耐熔蚀性能优于方案1 的。图6 结果显示，厚度方向上晶粒层数为2～3 层，大小为100～400 μm。将方案2 所得试样提供给客户端试用，经客户端试用，熔蚀情况良好，满足客户使用要求，与本研究结果一致。

图5 钎焊后熔蚀形貌Fig.5 Corrosion morphologies after brazing

图6 局部晶粒，标尺长度50 μmFig.6 Local grain size,scale length of 50 μm

3 分析与讨论

从力学性能结果来看，采用方案2 制备的0.070 mm 厚的铝合金翅片材料成品道次加工率比方案1 的大15.1%，但其钎焊前抗拉强度仍然低了9.8 MPa，钎焊后抗拉强度反而高了5.3 MPa。这是因为方案2 在4.200 mm 厚度多了一次高温中间退火，对成品的再结晶温度及强度都有比较明显的降低作用，但不会明显影响钎焊后的强度。

采用方案2 制备的铝合金翅片材料钎焊后晶粒相对细小，故其抗拉强度、伸长率高于方案1 的，但方案1 的抗下垂性能却优于方案2 的。主要因为方案1 的翅片材料钎焊后晶粒尺寸相对较大，晶界相对较少，能更有效地阻碍Si 的扩散，造成的熔蚀深度较少，起支撑作用的厚度较多，翅片越不容易塌陷下垂。

从熔蚀情况可以看出，采用方案1 制备的铝合金翅片材料钎焊后过大的晶粒组织虽然对抗下垂性有益，但因为局部晶粒尺寸过大，造成局部晶界面积过小，钎焊过程中Si 扩散的通道过少，过多的Si 会集中到个别晶界，局部扩散深度大，造成局部贯穿熔蚀。因为扩散深度越深，熔蚀程度越大。方案2 制备的翅片材料未出现局部贯穿熔蚀，主要因为钎焊后晶粒尺寸相对较小，钎焊过程中Si 有合理面积的扩散通道，不会造成局部集中。这表明，对于铝合金翅片材料来说，钎焊后过大或者过小的晶粒尺寸均不利于材料的耐熔蚀性能，过小的晶粒尺寸会造成整体熔蚀程度大，过大的晶粒尺寸会造成局部贯穿熔蚀，晶粒尺寸在一定范围内比较合理。通过两种方案制备的铝合金翅片材料钎焊后熔蚀情况的检测得出，钎焊后截面晶粒层数为2～3 层，尺寸在100～400 μm 较为合理，最有利于耐熔蚀性能。

4 结 论

（1）在铝合金翅片材料厚度为4.200 mm 时增加高温中间退火，会明显降低其成品的再结晶温度及强度，但不会明显影响钎焊后的强度。

（2）钎焊后试样的晶粒尺寸相对细小，晶界分布较分散，钎焊试验显示未出现贯穿熔蚀现象，总体熔蚀深度低，耐熔蚀能力强，可以延长散热器的使用寿命，故在厚度为4.200 mm 时增加高温中间退火的加工工艺更加优越。

（3）对铝合金翅片材料来说，钎焊后晶粒尺寸不是越大越好，也不是越小越好。若晶粒尺寸过大，虽然晶界少，Si 扩散的通道少，但Si 扩散通道相对集中，晶界处易发生贯穿熔蚀，若晶粒尺寸过小，晶界多，Si 扩散的通道多，则易发生全面熔蚀造成全面熔蚀程度大。钎焊后晶粒在厚度方向上层数为2～3 层，晶粒尺寸在100～400 μm，这种晶粒尺寸及分布情况较为合理，可以有效避免局部贯穿熔蚀和全面熔蚀程度大的现象发生，耐腐蚀性能最优。