汽车自动驾驶系统冷板散热器真空钎焊工艺技术研究

潘 勇，李 刚

(贵州贵航股份公司永红散热器公司，贵州 贵阳 550009)

0 引言

汽车自动驾驶系统冷板散热器作为汽车工业领域内的一项前沿技术，正逐步由技术研发走向市场应用，具有广阔的市场前景。该产品采用真空钎焊工艺进行制造，具有尺寸变形小、内腔清洁的特点。同时，为避免产品的泄漏风险，对焊接质量提出了较高的要求。要求对焊接面进行超声波检测，流道沿周3 mm宽度范围内焊合率要求达到100%；其余部分焊合率要达到85%以上；爆破强度要求3 MPa以上。

1 技术难点分析

该产品底座及水嘴材料为6063，盖板、内翅片、钎料片为双面包覆层复合材料4104/6063/4104。

焊接面分为盖板与底座之间，内翅片与盖板、底座之间，水嘴与底座之间三个部分。

1.1 产品结构分析

盖板与底座之间：底座为锻件，由于底部多处局部镂空，强度不足，焊接时容易出现局部塌陷；而翅片由于波形密集，强度较高，如果波高高于流道槽深度，即使在热状态下波高也难以被夹具压低到理想的配合尺寸。因此容易造成盖板与底座间的间隙过大，不能形成高质量焊接。从而达不到流道沿周3 mm宽度范围内焊合率100%的技术要求。

图1 产品爆炸图

内翅片与盖板、底座之间：内翅片的高度与流道槽深度的尺寸匹配是关键，内翅片高于流道槽则影响盖板与底座之间的焊接，内翅片若低于流道槽过多，超过钎焊间隙要求时则自身不能与盖板之间形成高质量焊接。内翅片为0.2 mm厚度的双面包覆层材料，且波形密集，容易产生并带粘连、熔蚀的焊接缺陷。焊接参数的窗口较窄。

管嘴与底座之间：管嘴与底座之间通过钎料片进行焊接，钎料片属于双面焊接。要求各零件之间形成精密的小间隙配合，管嘴与钎料片在无润滑的条件下压装入管嘴孔。零件的加工和装配的难度都较大。

1.2 焊合率对钎焊间隙的要求分析

真空钎焊对焊接间隙的要求极高。钎焊间隙越大，由于表面张力附加压力越小，液态钎料所能爬升的高度也就越小；而较大的钎焊间隙需要较多的钎料来填充， 当附加压力小于液态钎料所受的重力时，液态钎料便不能填缝而形成未焊合缺陷[1]。 一般要求间隙小于0.05 mm。但该产品要求流道沿周3 mm宽度范围内的焊合率为100%，对间隙的要求提出了更高的要求。通过对试样进行焊接，发现要保证这一焊合率要求，焊接面的间隙必须要小于0.02 mm。

1.3 爆破强度对焊接质量的要求分析

底座的空腔部分面积占到底座面积的70%以上，如果内翅片的焊接强度或焊合率不高，则无法达到3 MPa的爆破强度要求。实验证明，如果内翅片的焊接不良，即使盖板与底座焊接良好，产品的爆破强度也仅为1.4 MPa。

2 工艺控制要点

2.1 零件设计要点

底座的底部设计多个工艺凸台，钎焊时起到支撑作用，焊后机加去除，避免底座变形而导致焊接间隙发生变化。

内翅片成型后设置一道校平工序，将波高尺寸的一致性控制在0.02 mm以内，波高按低于流道槽0～0.02 mm进行匹配设计和加工。

图3 水嘴装配示意图

钎料片与底座孔和水嘴之间的钎焊面均按单边间隙0.02 mm进行设计。钎料片厚度0.6 mm，翻边间隙按0.45 mm进行设计，解决由于翻边孔口部材料变薄而带来的间隙增大问题。钎焊面采用20°锥形设计，解决小间隙无润滑条件下的装配困难问题。

2.2 钎焊夹具设计要点

夹具按每架20套产品叠放，产品与产品之间用石墨板间隔的方式进行设计，充分利用真空炉的高度，增大装炉量。夹具采用不锈钢和石墨板组合而成，既保证夹具具有足够刚度，又尽量减小热容量[2]。

夹具使用耐高温弹簧压料，弹簧的布置应保证产品受力平衡。在产品受热膨胀及降温收缩的过程中，弹簧应提供足够的压力以消除因钎料熔化后带来的间隙变化。同时，也要避免夹紧力过大而造成产品变形。

图4 夹具装配示意图

夹具设计时需考虑到铝材受热及钎料熔化后的尺寸变化。受热膨胀量=热膨胀系数×工件温度差×工件尺寸。夹具设计在确定弹簧长度、夹具躲避孔尺寸等夹具参数时要考虑到工件和夹具的热膨胀量系数差，避免工件在高温时与夹具发生干涉而变形。实验表明，钎料熔化、凝固后，钎料层的厚度会减小50%左右，因此，弹簧需要有一定的预压量，预压量要大于钎料层的减薄量。

2.3 钎焊参数

采用450 ℃、565 ℃、605 ℃、595 ℃四个阶段进行升、降温，试验效果较好。在钎焊段快速升温，缩短保温时间，是避免内翅片粘连、溶蚀的有效方法。控制夹具中部产品的钎焊保温时间以工件温度达到钎料液相线以上两分钟[3]并且整架产品温差不超过3 ℃，钎焊段真空度小于1×10-3Pa，从而保证产品焊接质量的可靠性和一致性。

3 试验分析

3.1 超声检测

从图5可看出，深色的完全焊合区域覆盖了整个流道8 mm沿周，焊合率达到100%。翅片的焊接反映出主要为焊接良好的深色和浅色，满足85%的焊合率要求。翅片图像清晰，无粘连现象。良好的焊接效果保证了产品的高强度和可靠性要求。

图5 超声波检测图像

3.2 金相检测

对产品各处焊缝进行解剖、研磨、抛光，然后在显微镜下进行观察。无明显的溶蚀和未熔合等缺陷，没有发现明显的共晶组织和偏聚物。

图6 流道沿周剖面金相

3.3 爆破试验

抽取数件试验产品固定在爆破试验台上，对产品内腔持续升压，直至爆破。爆破压力均在5 MPa以上。

图7 爆破试验

4 结论

1)对于高焊合率、高爆破强度要求的产品，钎焊间隙是保证产品达到要求的关键。间隙必须控制在0.02 mm以内。产品、工艺、工装的设计都要围绕这一关键点进行控制。产品的结构强度不足会造成钎焊间隙发生变化，出现这一问题时，可通过产品上增加工艺凸台或夹具上增加支撑来加以解决。

2)内翅片的焊接质量对冷板类产品的爆破强度具有决定性作用。

3)冷板类产品的钎焊夹具可采用产品叠放式的结构进行设计，以尽可能的提高生产效率。结构设计上使产品保持受力平衡，在产品受热膨胀以及钎料熔化后导致尺寸变化的过程中始终保持对产品的适当压力是控制要点。

4)钎焊参数应保证钎料的充分熔化，产品温差不宜过大。同时避免翅片粘连、溶蚀。