（材料加工工程专业论文）铝制板翅式机油冷却器真空钎焊及界面组织研究.pdf

山东大学硕士学位论文 铝制板翅式机油冷却器真空钎焊及界面组织研究 摘要 本课题利用真空钎焊设备实现了铝制板翅式机油冷却器的的连接。对铝制冷却 器皮层金属及母材熔融和结晶过程进行了分析，为铝制冷却器在汽车及制冷等工业 领域中的应用提供了试验及理论依据，对于扩大铝制冷却器的应用和推动铝制冷却 器的生产具有重要的意义和实际应用价值。 利用水压试验对铝质玲却器的性能进行了检测，得出了工艺参数对水压试验压 力值的影响关系，然后利用金相显微镜、显微硬度仪、扫描电镜( s e m ) 、电子探 针( e p m a ) 、透射电镜( t e m ) 、x 射线衍射仪( ) 、差示扫描量热仪( d s c ) 先进测试手段对铝制冷却器真空钎焊接头及其附近区域显微组织、微观相结构、断 2 1 形貌、精细结构、元素分布以及钎焊过程中的吸放热反应进行了分析。根据热分 析结果，对结晶过程的临界形核功、临界形核半径进行了计算。根据液体在固体表 面润湿和铺展的原理，计算出装配间隙和钎焊温度对钎焊接头的影响。 分折结果表明，钎焊之前母材中没有明显的金相组织，钎焊之后钎缝中生成了 网状的共晶组织，并且生成了大量新的金属间化合物，这些化合物弥散分布于钎缝 之中，对钎缝起强化作用。钎焊接头断口分析表明，铝制冷却器水压试验的断口属 于混合型断裂，整个表面上分布有大小的韧窝、二次断裂裂纹、台阶状的解理花样， 钎缝中生成的网状共晶组织是产生这种断裂的一个主要原因。 皮层金属和母材的d s c 分析表明，熔融的皮层金属和母材在凝固的过程中发 生了两个反应，这两个反应使得在钎焊焊缝中生成了网状共晶组织。计算得到熔融 皮层金属凝固过程的临界形核功、临界晶核数目表明，钎焊过程形核较为容易。根 据液体在固体表面的润湿可得，熔融液滴之间的表面张力和装配间隙呈抛物线变 山东大学硕士学位论文 化，要保证钎焊的成功，装配间隙要小于0 5 m m 。并且随钎焊温度的升高，表面张 力有变小的趋势，即随钎焊温度的升高，要求板材之间的装配间隙要更小。 r - 关键词：铝制板翅式机油冷却器真空钎焊钎缝组织结构钎缝成形及 表面润湿 i i 山东大学硕士学位论文 v a c u u m b r a z i n gp r o c e s s i n ga n d i n t e r f a c em i c r o s t r u c t u r eo fa l u m i n u m j p l a t e - w i n gs t y l em a c h i n e o i lc o o l e r a b s t r a c t t h ea r t i c l ea c h i e v e dt h eb r a z i n g j o i n to fa l u m i n u mp l a t e - w i n gs t y l em a c h i n eo i lc o o l e r b ym e a n so fv a c u u lb r a z i n ge q u i p m e n t ，t h em e l t i n ga n ds o l i d i f y i n gp r o c e s so ft h e c o d e xm e t a la n dt h eb a s em e t a lw e r e s t u d i e d ，w h i c hp r o v i d e de x p e r i m e n ta n dt h e o r yf o r t h eu s eo fa l u m i n u mc o o l e ri nt h ea r e ao fa u t o m o b i l ea n dr e f r i g e r a t i o n i n d u s t r y t h e w o r kh a s i m p o r t a n tt h e o r ya n dp r a c t i c a lv a l u et o t h ea p p l i c a t i o na n dp r o d u c t i o no f a l u m i n u mc o o l e r t h ec a p a b i l i t yo fc r o l e rw a se x a m i n e db ym e a n so f h y d r a u l i cp r e s s u r et e s ta n dt h e c o n n e c t i o no ft e c h n i c a l p a r a m e t e r sa n dh y d r a u l i cp r e s s u r et e s tv a l u ew a sg o t t h e m i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so f b r 面n gz o n e ，d i s t r i b u t i o no fe l e m e n t sa n dt h er e a c t i o n s d u r i n gs u c k i n g o r s e t t i n g c a l o r i cw e r es t u d i e d b ym e a n s o fo p t i c s m i c r o s c o p e ， m i c r o h a r d n e s s t e s t e r , s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e ( s e m ) ，e l e c t r o np r o b e m i c r o a n a l y z e r ( e p m a ) ，t r a n s a c te l e c t r o nm i c r o s c o p e ( t e m ) ，x - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ， d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y ( d s c ) a c c o r d i n gt ot h et h e r m a la n a l y s i s ，t h er e a c t i o n d u r i n gt h eb r a z i n gp r o c e s sa n dt h ec r i t i c a ln u c l e a t i o ne n e r g ya n dc r i t i c a ln u c l e a t i o n s e m i d i a m e t e rw e r e c a l c u l a t e d a c c o r d i n gt ot h ew e t t i n ga n ds p r e a d i n gt h e o r y , t h ee f f e c t o f a s s e m b l a g eg a p a n d b r a z i n gt e m p e r a t u r eo n t h eb r a z i n g j o i n tw e r e s t u d i e d t h ea n a l y s i sr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e r ew a sn oo b v i o u sm e t a l l i cp h a s ei nt h eb a s e m e t a l ，b u tt h e r ew a se u t e c t i cc r y s t a le x i s t e di nt h eb r a z i n gj o i n t a n dm u c ho fn e w i n t e r - m e t a l l i cc o m p o u n d sw e r e c r e a t e d ，w h i c hw e r ed i s p e r s i o nd i s t r i b u t e di nt h eb r a z i n g 1 1 i 山东大学硕士学位论文 j o i n ta n ds t r e n g t h e n e dt h eb r a z i n gj o i n t t h ef r a c t u r es e c t i o no f b r a z i n gj o i n ti n d i c a t e d t h a tt h ef r a c t u r eb e l o n g e dt ot h em i x e d t y p ef r a c t u r ea n dt h e r ew e r ec a v i t y , s e c o n dc r a c k s ， a n ds t e p s h a p ec l e a v a g ef r a c t u r e t h ee u t e c t i cc r y s t a le x i s t e di nt h eb r a z i n g j o i n ti st h e m a i n c a u s i n g o f t h i sf r a c t u r e t h ed s c a n a l y s i so f t h ec o r t e xm e t a la n dt h eb a s em e t a li n d i c a t e dt h a tt h e r ew a st w o r e a c t i o n so c c u r r e dd u r i n gt h ef r e e z i n gp r o c e s s t h ee u t e c t i cc r y s t a lw a s p r o d u c e di nt h e b r a z i n gj o i n tb e c a u s eo ft h et w or e a c t i o n s t h ec r i t i c a ln u c l e a t i o ne n e r g ya n dc r i t i c a l n u c l e a t i o ns e m i d i a m e t e ro ff r e e z i n gp r o c e s si n d i c a t e dt h a ti tw a se a s yt on u c l e a ri n b r a z i n gp r o c e s s t h es u r f a c et e n s i o no f m o l t e nm e t a lw a s c h a n g e dw i t ha s s e m b l a g eg a p a sp a r a b o l a t h ea s s e m b l a g eg a pm u s tl e s st h a no 5 m m a n dt h eb j 【曲e rt h eb r a z i n g t e m p e r a t u r et h el e s st h es u r f a c et e n s i o n ，s ow i t ht h eh i g h e ro fb r a z i n gt e m p e r a t u r e ，t h e a s s e m b l a g eg a p w a sl i t t l e k e y w o r d s ：a l u m i n u mp l a t e - w i n gs t y l em a c h i n eo i lc o o l e r ，v a c u u mb r a z i n g ， b r a z i n gj o i n t ，m i c r o s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c s ，b r a z i n gj o i n tf o r m i n g a n d s u r f a c e w e t t a b i l i t y l v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名_ 垄趋 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 f 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 辱香导师签名 日期：丝： 山东大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 选题的目的意义 现代汽车及制冷工业飞速发展，对冷却器等构件的要求越来越高。用铝制冷却 器替代原有的铜及不锈钢冷却器，不仅能满足使用要求，而且重量轻，散热效果好。 我国加入w t o 以后，汽车工业将成为我国对外出口的支柱产业之一，与此相应的 板翅式、管翅式机油冷却器等汽车关键零部件的研制和生产制造，国家也将予以重 点支持，开发铝制板翅式机油冷却器，可以促进我国汽车更新换代。 板翅式机油冷却器用于轿车发动机机油和无级变速液力变扭器机油的冷却，是 延长发动机寿命、提高发动机功率的关键零部件之一。铜或不锈钢的冷却器不仅体 积大，而且散热效果差。目前国外高等轿车已普遍采用铝制板翅式冷却器，而此类 产品在我国还处于起步阶段，技术水平不高，如上海别克、天津夏利的无极变速车， 使用的仍是铜及不锈钢产品。根据国家产业政策，汽车工业的发展应以“高起点、 大批量、专业化、优质量”为原则。开发生产铝制板翅式机油冷却器，符合国家产 业政策的要求。 据市场调查，国内市场上随着上海别克、帕萨特、广州雅阁以及一汽奥迪、红 旗、天津夏利2 0 0 0 等轿车投放市场，新型冷却器的需求量也将随之递增，而且它 还将被中级轿车，普通轿车，甚至微型轿车选装。至2 0 0 5 年，国内轿车需求量为 1 2 8 1 3 9 万辆，其中高级轿车1 5 2 0 万辆，约8 0 装备新型冷却器，需求量约为1 2 1 6 万台，其它轿车也约有1 0 选装新型冷却器，需求量为1 2 万台，国内总需求量将 达到2 8 万台。美国是一个汽车王国，每年需进口近百万台冷却器，配套v a l e o 公 司、福特公司、g d i 公司、a p i c 公司等，其中板翅式冷却器占3 0 ，约3 0 万台。 此外加上其它国家的需求，国内外目前固定客户需求量将超过6 0 万台，借此开发 生产铝制板翅式机油冷却器，前景非常广阔，国际、国内市场均有保证。 山东大学硕士学位论文 进行合作研究的是茌平吉星汽车零部件有限公司，该公司生产板翅式机油冷却 器、管翅式机油冷却器、汽车空调器、汽车水泵四大系列3 0 0 多个规格的产品，目 前主要配套一汽、二汽、南汽等发动机厂及水箱厂，且连续几年出口美国、加拿大、 韩国等国家。 本课题是当今国内汽车配套产品生产领域急需解决的难题之。本课题的目的 是用真空钎焊技术解决铝制板翅式机油冷却器焊接的难题。对钎焊接头的组织、微 观相结构、结合强度和性能进行了研究，通过热分析( d s c ) 试验分析整个钎焊过 程发生的放热和吸热反应，从理论上计算出结晶过程的晶核及晶胞数目，揭示了钎 焊过程钎料在芯层表面的润湿和铺展以及钎料的熔化和结晶过程；通过计算确定了 铝制冷却器真空钎焊的装配间隙，为铝制冷却器生产和制造工艺的提高提供了重要 的理论依据。 本课题为确定铝制冷却器真空钎焊的最佳工艺参数，使其满足生产和使用的要 求提供了试验数据。铝制板翅式机油冷却器真空钎焊技术的提高，必将提高汽车发 动机的性能，进一步增强我国国产轿车的国际竞争力。 本课题是与国民生产实际息息相关的课题，若能利用先进的钎焊技术解决铝制 板翅式机油冷却器的生产和制造，将对我国汽车和制冷工业的发展起到巨大的推动 作用，具有重大的经济和社会效益。并对以后汽车冷却器的生产有重要的理论和指 导实践的意义。 1 2 铝合金真空钎焊的国内外现状 1 2 1 真空钎焊的应用 真空钎焊是在2 0 世纪6 0 7 0 年代发展起来的在真空气氛中不施加钎剂而连接 零件的一种先进的工艺方法，用来连接般方法难以焊接的材料和结构，可以得到 光洁致密、具有优良力学性能和抗腐蚀性能的钎焊接头。目前真空钎焊不仅用于航 山东大学硕士学位论文 空航天等尖端工业上，而且在汽车、石油等工业领域中得到广泛应用【1 ，2 1 。真空钎 焊具有以下一些优点： 1 ) 被钎焊零件处于真空中，不出现氧化、增碳、脱碳及污染等。零件整体受热 均匀，热应力小，可将变形量控制到最小限度，特别适宜于精密产品的钎焊。 2 ) 在真空条件下进行焊接能使基体金属的性能得到改善，不用钎剂，可以省掉 焊后清洗残余钎剂的工序，节省时间，改善了劳动条件，对环境无污染。 3 ) 可将零件热处理工序在钎焊工艺过程中同时完成；选择适当的钎焊工艺参 数，可将钎焊安排为最终工序，而得到性能符合设计要求的钎焊接头，钎焊效率高。 4 ) 可钎焊的金属种类多，特别适宜于焊接铝及铝合金、钛及钛合金等有色金属， 对耐热合金、陶瓷、复合材料等也适用叽 铝及其合金的化学活泼性很强，表面极易形成2 0 3 氧化膜。加之铝及其合金 导热性强。焊接时容易造成不熔合现象。氧化物的密度同铝的密度极其接近，易成 为焊缝中的夹杂物4 ，38 1 。同时氧化膜易吸收水分。在焊缝中形成气孔。铝及其合金 的线膨胀系数大，导热性强，焊接时容易产生翘曲变形，在焊接长条状工件时情况 尤其严重 5 ，3 6 1 。 同其它铝合金的焊接方法一样，真空钎焊铝合金时，也存在铝合金表面的氧化 膜问题，在a l 熔点附近a 1 2 0 3 的分解压为l o 砌p a ，而目前能够得到的最高真空度 为1 0 母p a ，能够得到的最高惰性气体中氧的残余浓度不低于1 0 3 p p m ，这样即使两者 联合使用，所得环境中氧气的残余分压也不会低于1 0 。峄a ，远远高于a i 熔点温度 时a 1 2 0 3 的分解压，所以在目前的试验条件下完全避免m 的氧化是不可能的【6 ，”。 1 2 2 合金元素在铝真空钎焊中的作用 铝真空钎焊成功的应用于生产，钎料中加入的活性元素起着重要的作用。利用 最多的合金元素是m g 和s i ，其中加入m g 元素是最普遍和最成功的嘲。m g 在钎焊 温度下能减少铝氧化物，能使钎料在母材表面润湿和铺展，并且m g 元素能去除钎 山东大学硕士学位论文 焊气氛中的氧和水汽【9 】。钎料的润湿和铺展过程包括：m g 减少a l 氧化膜，形成疏 松多孔的氧化物，熔化的钎料在母材表面上的铺展。s c a m a n s 等报道了m g 和a 1 2 0 3 反应而生成了m g a l 2 0 4 和m 9 0 0 。】。但是a n d e r s o n 认为：a 1 2 0 3 的减少，m g a l 2 0 4 及m g o 的形成不能引起金属的流动和焊缝的成形。 在m - s i m g 系钎料中，m g 的行为与真空钎焊去膜机理有密切的联系。在钎料 中含有m g 元素时，其去膜机理为i l l 1 2 】： 1 ) m g + 1 2 0 2 + m g o 2 1m g + h 2 0 m g o + i - 2 3 ) m g + 1 3 a 1 2 0 3 + m g o + 2 3 a 1 m g 与真空中残存的氧和水汽反应，消除它们对铝的有害作用；m g 与母材表面 的a 1 2 0 3 反应可真接去除氧 l r 摸t 1 引。有人认为m g 除了消除环境中氧和水汽的有害 作用外，m g 蒸汽还能渗入铝表面的氧化膜的下方，将表面膜浮起而去除15 1 。实 质上铝的真空钎焊过程是个还原一掘进过程，而m g 蒸汽所起的作用就是还原和掘 进作用m ，3 3 】。文献【9 认为当钎料不含镁时，熔化钎料被氧化膜包住，钎料不能铺展； 随着含镁量的增加，钎料铺展面积呈直线增长；当含镁量超过1 时，铺展面积基 本不变。考虑到含镁量增加会引起钎料变脆等缺陷，钎料的含镁量以1 1 5 为宜1 7 l 。 文献 1 6 】在用覆有a i - s i m g 钎料的钎焊板进行试验时发现：由于受热膨胀不一致以 及a l s i m g 钎料的熔化，导致表面氧化膜破裂和弥散，最终形成由纯净金属组成的 上有熔化钎料的表面。并且当真空钎焊时，由于氧化膜的线膨胀系数( 口a ，。l = 8 2 x 1 0 6 ) 为铝的线膨胀( 口。，= 2 3 5 1 0 币) 的1 3 ，在温度约高于4 0 09 c 时热应力己足 以使氧化膜局部开裂，露出纯净的铝表面【1 8 ，9 1 。 大多数铝合金都是基于a 1 s i 系统，其中s i 的含量一般在7 - 1 2 。这一系列的 钎料无论在钎焊性、强度、和母材色泽一致性、镀覆性和抗腐蚀性都极佳，是少有 的优良钎料，特别是这类钎料可以进行变质处理，能大大增强钎焊接头的韧性和抗 4 山东大学硕士学位论文 弯折能力伫仉2 4 1 。s i 含量为1 1 7 时的越s i 系统为共晶系，共晶温度为5 7 7 c ，这 一成分的钎料是生产中的标准钎料，适合于钎焊多种熔点相对较高的铝合金【2 ”。在 a l s i 钎料中加入镁及其它元素可以配制新的钎焊合金。但铝钎料中不能含有锌等 低沸点元素，否则不但起不到任何作用，还会对真空钎焊炉造成极大的污染【1 4 ，2 孙。 钎焊时，由于钎料的熔点同母材的熔点相差不大，如果钎焊温度控制不当，会 造成过度熔蚀，甚至引起母材的熔化。一些热处理强化的铝合金，还可能因钎焊加 热引起过时效或退火等软化现象，导致钎焊接头性能降低1 ，”】。对于铝镁合金来讲， 其钎焊性受到镁含量的影响。当含镁量 1 5 时，随着含镁量的增加，钎焊性变坏： 当含镁量 2 5 时，钎焊困难4 0 1 。 1 2 3 铝制冷却器的研究现状 铝制板翅式机油冷却器结构复杂、焊点多，要求一次焊接成型，必须采用钎焊 方法。而且这种机油冷却器内腔为封闭的空腔，采用盐浴钎焊及无腐蚀钎剂保护气 氛的炉中钎焊均不能满足技术要求，只能采用真空钎焊。 最早的铝制冷却器是采用液压技术将铝管材和散热片用机械胀管技术压制而 成，随后法国s o f i c 公司首先研制成功并投入批量生产。其后发展了用焊接方式生 产冷却器。最初使用传统的以氯化物氟化物为钎剂的方法钎焊冷却器，但是由钎剂 造成的污染以及腐蚀一直是这种焊接方法的致命缺陷。1 9 6 7 年美国通用电气公司发 明了含m g 真空无钎剂焊接技术；1 9 7 6 年德国b e h r 公司发明了v a w 无钎剂技术； 1 9 7 8 年a l c a n 公司发明了“n o c o l o k ”无腐蚀性钎剂焊接工艺，8 0 年代e 1 本古河铝 业公司成功开发了高精度、高性能的铝合金钎焊散热器，成为冷却器生产的先驱。 9 0 年代以来随着真空工业的发展以及控制技术的不断进步，真空钎焊技术以其焊接 生产过程控制精确，焊后成型优良等优点逐渐发展起来，同时对铝制冷却器的要求 也在不断的提高，为真空钎焊成为铝制冷却器生产的主要方法提供了必要条件【2 ”。 在国内，目前主要有航空材料研究所等单位从事铝制冷却器的研究和生产。他 山东大学硕士学位论文 们的产品板翅层数为四层，压力试验：加压1 2 k g ，无泄漏，能正常使用翻。但是本 次试验中要求翅片的层数为5 层，而且水压试验要求达到1 5 k g ，固而不能采用同样 的工艺参数。 近年来，铝合金真空钎焊工艺已经得到广泛应用。但是近两年随着汽车工业的 发展，铝合金真空钎焊出现了新的问题，主要集中在真空钎焊的工艺方面，生产的 钎焊接头不能满足较高的使用要求，造成了不必要的损失。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题研究的内容主要包括以下几个方面： 1 1 铝制机油冷却器真空钎焊工艺参数 利用先进的真空钎焊设备，实现铝制机油冷却器的真空钎焊。通过工艺性试验 确定合适的工艺参数：钎焊温度、保温时间、升温速率等。 所使用的材料为铝复合板l t - 3 ，是铝制冷却器钎焊的专用焊接材料。铝合金真 空钎焊的钎焊工艺参数对钎焊后工件的性能的影响很大，只有合适的工艺参数才能 得到结合良好的钎焊接头。 2 1 铝制冷却器真空钎焊接头的性能及断口分析 钎焊后冷却器外形完美，没有明显的宏观缺陷，并且在水压试验中达到要求的 安全数值。对不同钎焊工艺参数下得到的工件进行水压试验，得出水压试验压力值 与真空钎焊工艺参数的关系。对水压试验后的断口形貌进行分析，研究铝制冷却器 真空钎焊接头的断裂机理，并对钎焊接头试样进行显微硬度等微观性能进行了分 析。 3 ) 铝制冷却器真空钎焊接头的显微组织结构 利用金相显微镜、扫描电镜对铝制机油冷却器真空钎焊钎缝及其附近区域的微 观组织进行分析：利用透射电镜、电子探针、x 射线衍射对钎焊接头相结构及元素 山东大学硕士学位论文 分布进行定性分析。 4 ) 铝制冷却器真空钎焊钎料润湿及钎缝成形过程的热分析( d s c 分析) 利用差示扫描量热仪( d s c 分析仪) 对皮层金属及母材的熔融和冷却结晶过程 进行时时分析，得出结晶过程的结晶反应：计算结晶过程焓变求出铝制冷却器真空 钎焊熔融皮层金属结晶过程的临界形核功，临界形核半径。熔融的钎料要均匀的铺 满整个的钎缝，其中表面张力起重要作用。本文研究了表面张力与两个板材之间距 离及与钎焊温度的关系。 图1 1 本课题所采用的技术路线图 本课题研究采用的技术路线如图1 1 所示。采用理论与试验相结合的方法进行。 山东大学硕士学位论文 根据试验数据指导铝制冷却器工艺参数的确定，根据d s c 分析结果计算出钎缝成 形过程中的临界晶核中的晶胞数目。从固液界面的润湿理论以及界面张力理论出发 - 计算出在实际焊接生产过程中对t l 3 铝合金进行真空钎焊时所需要的装配要求。 山东大学硕士学位论文 第二章试验方法 2 1 试验材料 试验用板材和翅片均采用专用于真空钎焊的l t - 3 铝复合板，两端的引出接头为 7 0 0 5 铝合金。l t - 3 铝复合板以l f 2 1 为芯材，双面包覆4 0 0 4 铝合金。这种铝复合 板的芯层合金有良好的热加工性能和耐腐蚀性能，皮层金属在冷却器真空钎焊过程 中直接提供钎料，降低了生产成本、操作方便、简化了钎焊工艺。这种材料广泛用 于各种汽车冷却器。 试验中采用的l t - 3 铝复合板芯层、皮层及引出接头的化学成分见表2 1 ，芯层 的力学性能见表2 2 。 表2 1试验用l t - 3 铝复合板及引出接头的化学成分胍 材料 s if ec um n m g z na 1 l ，r 3 芯层( 3 0 0 3 、 o ，6o 7o 0 5 o 21 o 1 50 1 余量 铝复合板 皮层( 4 0 0 4 ) 9 o 1o 50 80 2 50 11 0 2 0o 2 余量 引出接头7 0 0 5 0 3 50 4 0o 1 00 5 01 44 5余量 表2 2l t - 3 铝复合板芯层的力学性能 固相线一液相线抗拉强度屈服强度延伸率 抗蚀性 。c ? m p a i p a 芯层( 3 0 0 3 ) 6 4 3 4 6 5 4 1 1 04 2 3 0良好 l t - 3 铝复合板是通过冷轧工艺制造的，先将芯层金属轧制成形，然后在芯层金 属表面上轧制皮层金属。铝复合板在实际钎焊中对钎料层的包覆率有严格要求，包 覆率是指单面钎料包覆层厚度占总厚度的百分比。若包覆率较小，钎焊时钎料供应 不足容易造成虚焊，焊接质量差；若包覆率较大，钎焊中熔融钎料流动过快，降低 了铝复合板在高温下的抗下垂性能，这是引发冷却器在钎焊时发生坍塌现象的原因 山东大学硕士学位论文 2 2 铝制冷却器结构 图2 1 所示为铝制冷却器的外观结构示意图。图2 2 所示为单片板材的结构示 意图。 图2 1铝制冷却器外观结构示意图( 图中，为钎缝部位) 图2 1 中所示的翅片和板材的接触部位、垫片和板材的接触部位、接头和 板材的接触部位，均采用真空钎焊技术一次焊接成形，只有这样才能保证钎焊后 所有接头的质量一致。铝制冷却器每一层都是由两片单独的l t - 3 铝复合板钎焊成 的，中间形成一个完整的空腔，利于高温液体从中间流过。 图2 2 铝制冷却器单片板料的结构示意图 图2 2 中所示的部位为上下两个板材的接触位置，该位置也是在真空钎焊过 山东大学硕士学位论文 程中一次成形的。这种在中间的空腔中加上翅片的设计可以增大冷却过程中液体和 冷却器的接触面积，提高冷却效率，但是对焊接的要求更为严格。 翅片与板材接触位置的局部放大如图2 3 a ) 所示，图2 3 协为该接触位置的金相 照片。 a 1 单个接头示意图b ) 钎焊接头金相照片 2 0 x 图2 3冷却器单个接头示意图及实际金相照片 由图23 可见，翅片和板材之间e t 的钎缝，长度大约为4 m m ，每一个冷却器的内 部空腔中含有若干个这种钎焊接头，都需要在一次钎焊过程中钎焊成形。 这种板翅式的设计，可以将冷圭器的工作效率提高到最大。每个冷却器出4 5 个单独的冷上片组成，每个冷却片由两片板材钎焊而成。中间空腔中的翅片，加工： 成波浪形，可以大大的提高熔融钎料与翅片的接触面积，增大散热面积，提高冷却 放率。 2 3 钎焊方法及设备 铝合企帔采用钨极氩弧焊( t i g ) 的方法进行焊接，但是由丁扳翅式机油冷 川器的使用要求和结陶殴汁，t i o 焊接，j 法已经不能满足其焊接的要求。冷却器使 j 【j 过陧r h 内部流动的为温度高的机油外部为温度低的液体或空气，内外两种介 山东大学硕士学位论文 质不能接触，冷却器内部必须形成一个完整的空腔。对于板翅式机油冷却器，可以 采用炉中钎焊的方法进行焊接，但是焊接之后的强度不能达到水压试验的要求，在 本试验中采用了真空钎焊的方法。 焊接工艺性试验利用从美国c v i 公司引进的w o r k h o r s ei i 型真空焊接设备。该 设备的加热功率为4 5 k v a ，真空度可达5x1 0 一t o r t 。所用设备的主要参数如表2 3 所示。 表2 - 3w o r k h o r s ei i 型真空焊接设备的主要参数 型号主要参数 真空室尺寸最高加热温度最大压力极限真空度加热功率保护 3 0 3 3 1 3 5 0 ，m mf rp ak 、，a 气体 3 0 t 3 0 4 3 0 4 4 5 71 3 5 03 06 6 5 1 0 54 5 n 2 、a 试验中采用的真空钎焊设备的组成示意图如图2 1 所示 - i 6 o 可 o o o o o 液压泵 真空炉体 。控制按钮 扩散泵机械泵 控制阀门 图2 1w o r k h o r s ei i 型真空钎焊设备组成示意图 该真空焊接设备主要由真空室、真空泵系统、液压系统、水循环系统、保护气 体系统、控制仪表等几部分组成。真空泵系统由机械泵和扩散泵构成，能提供 13 3 1 0 4 p a 以上的高真空。控制仪表主要由数字处理器、程序逻辑控制器、过程控 山东大学硕士学位论文 制单元、计算机以及加热温度、压力、真空度的测量和记录仪器等组成。 由于整套设备采用计算机控制，真空钎焊过程实现全自动运行，能对工艺参数 高精度的控制。钎焊过程的加热温度、保温时间、真空度等参数可以通过预先编制 的程序控制，提高了焊接过程的精度和可靠性。 2 4 钎焊工艺 2 4 1 焊前准备 铝制冷却器真空钎焊之前，对工件的装配要求严格。复合板材表层带有钎料， 不需外加钎料，而且皮层金属与芯层金属结合在一起。在钎焊过程中如果不能保证 两层金属之间的紧密结合，将导致一系列的焊接缺陷( 如未焊合等) 。 铝合金表层易生成致密的氧化膜，给钎焊造成很大的困难，虽然皮层金属含有 的m g 元素能去除一定的氧化膜，但钎焊前仍需对工件表面进行酸洗，并控制酸洗 时间。酸洗时间太长可能将皮层金属破坏，使钎焊过程缺少钎料；时间太短则不能 去除表面的氧化膜，一般应控制在5 l o m i n 左右。酸洗完成到开始钎焊的时间不能 超过2 4 h ，最好是酸洗完后直接进入真空炉，因为铝的性质活泼，停留的时间太长 在金属的表面容易重新生成氧化膜。 钎焊前不能对工件表面进行过度的打磨，因为皮层金属是通过冷轧工艺附着在 芯层金属上，厚度不很均匀，如果进行打磨，在除掉氧化膜的同时，也可能将皮层 金属破坏。打磨也容易将工件表面的平整度破坏，给钎焊造成困难。 2 4 2 钎焊工艺参数 铝制冷却器真空钎焊的工艺参数包括：钎焊温度、保温时间以及升温速率等， 工艺参数直接影响钎焊接头的质量。 钎焊温度过高容易引起两方面的缺陷：一是导致母材的过度熔解，熔融金属不 仅仅填满了钎缝，还流淌到工件的外面，影响了工件的外型。而且在板材之间的空 山东大学硕士学位论文 腔中形成了钎料的堆积，严重地影响了冷却器的使用性能；二是如果钎焊温度太高 容易造成板材软化，钎焊时板材塌陷，造成冷却器空腔堵塞，成为废品。另一方面， 钎焊温度也不能太低，以免造成皮层金属熔化不充分，流动性降低，不能完全润湿 和铺展在芯层的表面，造成未焊合等缺陷。 钎焊保温过程可以保证熔融的皮层金属有充足的时间润湿和铺展在芯层金属 表面。这个时间不能太短，否则熔融皮层金属不能铺展芯层表面而造成未焊合；保 温时间太长容易造成芯层金属的过度熔解，形成晶间贯穿等缺陷【2 5 2 6 1 。 升温速度不能太快，板材在生产过程中可能产生应力集中，升温太快使得残余 应力不能顺利释放，造成板材的翘曲变形产生焊接缺陷：而且升温速度过快使板材 表面和内部的温度不同，给钎焊造成困难。在升温过程中应设置保温段。真空焊接 设备的炉膛较大，在不设置保温段的情况下进行钎焊，可能使工件受热不均匀，也 容易造成焊接缺陷。 在降温阶段，为防止温度急剧下降引起工件变形，在降温的开始阶段要控制降 温速率并设置保温段。当温度低于一定数值时，可以采用随炉冷却的方式。表2 4 所示为试验过程中采用的系列工艺参数。采用了阶段性升温，预设多段保温区间， 且在降温阶段设置保温段的工艺曲线。 表2 4 钎焊过程中采用的系列工艺参数及其钎焊结果 钎焊温度保温时间 序号真空度p a降温有无保温 钎焊结果 o l6 1 556 9 1 0 4无未焊合 0 26 2 586 9 1 0 4无工件变形，未焊合 0 36 2 886 5 x 1 0 4无工件无变形，未焊合 0 46 3 51 16 5 x 1 0 4无皮层过度熔化，形成熔滴 0 56 2 896 5 1 0 4 有外形良好，局部未焊合 0 66 2 81 06 5 x 1 0 。4有外形良好，焊台 钎焊温度为6 1 5 ，保温5 r a i n 时，钎焊温度太低，皮层金属只是部分熔化或是 山东大学硕士学位论文 熔化之后没有足够的活性迅速在芯层金属的表面铺展；保温时间过短，钎料没有足 够的时间铺展并形成稳定的新相，而造成了工件的未焊合。并且温度较低，残余应 j 力不能及时释放造成了工件的扭曲变形。 钎焊温度为6 2 5 ，保温1 0 m i n 时，钎焊温度有所提高，保温时间有所延长， 但由于加热速率较快，升温过程中的保温时间较短，板材中的残余应力没有来得及 释放，造成焊后工件的弯曲变形。 钎焊温度为6 2 8 时，钎焊温度继续升高，而保温时间不变，并将升温过程的 升温速率减慢，保温平台时间延长，这样在焊接过程中可以将残余应力释放出来。 将钎焊温度提高到6 3 5 。c ，由于温度过高，不仅皮层金属完全熔化，而且芯层 金属过度溶解于熔融的皮层金属中，熔融金属不仅填满了两片板材之间的空腔，而 且形成了大小不一的液滴。由于芯层金属的过度溶解，造成在高温下板材的塌陷。 最佳的焊接工艺参数为钎焊温度6 2 8 。c ，保温i o m i n ，用这个试验参数焊接所 得的工件，首先外形上比较完美。这次试验所使用的焊接工艺曲线如图2 3 所示。 山东大学硕士学位论文 7 0 0! 6 0 0 ： 蔓 5 0 0。a 吣 、 - ，一 ? i 4 0 d | 3 d o ， 忽o o | 1 0 0 i | v 2 0 0 l o o arcdef gh1j k l a _ 预抽真空时间；b d f h 一升温加热时间：c e g i k _ 保温时间；j 控制降温时问：k 自由降温时间 图2 3 铝制冷却器真空钎焊工艺曲线 2 5 测试方法 将钎焊后的工件先进行水压试验，水压试验之后的样品用线切割机切开，进行 一系列的试验，并对钎焊接头的显微组织及相结构进行分析。 2 5 1 试样的切取及制备 对线切割之后的钎焊接头试样，先用开水浸泡，然后用丙酮溶液对样品进行去 油处理。因为皮层中含有m g 及其他一些微量的添加物在钎焊过程中使熔化的皮层 金属在芯层表面顺利铺展，但是它们在钎焊之后对接头有腐蚀作用。 切取钎焊接头试样的示意图如图2 4 所示。选取试样的不同截面，横截面和纵 截面要同时取到。 山东大学硕士学位论文 图2 4 钎焊接头试样切取位置示意图 取切好的样品首先制备成金相试样进行观察，制备高质量的金相试样是比较困 难的，铝基体比较软，用砂纸磨制的过程中，微小的颗粒也可能在试样的表面造成 严重的划痕。试验中选用的金相砂纸号依次为2 8 0 、4 0 、2 0 、7 。 将磨制好的试样进行抛光处理：先用c r 2 0 3 水溶液( 1 0 0 9 1 5 升水) 进行抛光： 然后用a 1 2 0 3 水溶液( 2 0 0 9 1 5 升水) 进行抛光。这两种抛光液中所含的c r 2 0 3 和 a 1 2 0 3 颗粒的大小不同，c r 2 0 3 颗粒比a 1 2 0 3 颗粒大。在使用a 1 2 0 3 抛光之前要用清 水将抛光布上的c r 2 0 3 颗粒清洗干净。用这两种抛光液分别对试样抛光1 0 1 5 m i n ， 最后用清水对试样抛光约2 0 m i n 。 这样还不能彻底解决铝基体表面的划痕，机械抛光之后应立即手工在麂皮上对 试样进一步的抛光，使用的抛光液为经多次煮沸并过滤过的m g o 溶液。m g o 溶液 煮沸时，要煮成悬浊液，并不断将底下沉积的较大m g o 颗粒去除。麂皮抛光大约 需要3 0 m i n 。 为了清晰的看到铝制冷却器真空钎焊接头的显微组织，需要对接头试样进行腐 蚀。试验中使用的腐蚀剂为o 5 h f 水溶液，浸蚀的时间为2 3 m i n 。 2 5 2 测试手段 为了检验钎焊接头的强度，除进行水压试验之外，对钎焊接头横截面和纵截面 上的显微硬度进行了测定，使用的是s h i m a d n u 显微硬度计。 山东大学硕士学位论文 为了对钎焊接头的显微组织进行分析，分别利用n i k o na f x a 型金相显微镜 和j x a 8 4 0 型扫描电镜对钎缝的显微组织和断口形貌进行了分析。 ， 为了确定铝制冷却器真空钎焊钎缝中生成的新相，使用了电子探针、x 射线衍 射分析和透射电镜分析。电子探针的电压为2 0 k v ：x 射线衍射试验采用的是铜靶， 凰射线，试验电压为4 0 k v ，试验电流为1 5 0 m a 。 为了观察和测定铝制冷却器钎缝中生成的新相，对试样进行减薄处理，然后利 用h i t a c h i h 一8 0 0 型透射电镜对熔融结晶后的皮层金属进行观察。 为了研究铝制冷却器真空钎焊钎缝中的组织在钎焊升温和降温过程中发生的 物理化学变化，利用德国进口的差式扫描量热仪( n e t z s c hd s c 4 0 4 ) ，对钎焊过程中 皮层金属在熔融和重新凝固过程中的吸热和放热反应进行分析。该仪器主要由加热 装置热电偶、样品台和试样坩埚等组成。 山东大学硕士学位论文 第三章铝制冷却器真空钎焊接头性能 3 1 钎焊接头水压试验 铝制冷却器是对汽车零部件进行冷却的装置，内部流动的是高温高压液体，外 部使用其它液体或是风扇对冷却器进行冷却。为了保证冷却器安全工作，实际生产 中进行的检验方法是水压试验。水压试验时为了保证安全，通常制定水压试验的标 准是在安全使用的压力值上乘以一个系数。 本次试验中对每次得到的工件都进行了水压试验。对于未焊合的工件，使用少 量钎料对局部未焊合的工件进行补焊，然后进行水压试验。铝制冷却器真空钎焊使 用了6 组不同的工艺参数，不同参数下水压试验的数据如表3 1 所示。 表3 1不同工艺参数下的水压试验数据 序号钎焊温度。c保温时间m i n焊接结果水压试验数值k g 0 l 6 1 55未焊合 5 0 2 6 2 58工件变形，未焊合 8 0 3 6 2 88工件无变形，未焊合 9 0 4 6 3 5l i皮层过度熔化，形成熔滴 6 0 5 6 2 89外形良好，局部未焊合 1 0 0 6 6 2 81 0外形良好，焊合 1 5 由表3 1 可见，不同的工艺参数下所得到的工件的水压试验压力值是不一样的。 图3l 所示为铝制冷却器钎焊工艺参数对工件水压试验压力值的影响。 9 山东大学硕士学位论文 暨 蚓 r 出 絷 檀 蹬 芒 曲钎焊温度 b 1 保温时间 图3 1 冷却器工艺参数对钎焊接头水压试验压力的影响。 由图3 1 a ) 司i 见，钎焊接头水压试验的压力值随钎焊温度的升高而逐渐升高，达 到最高值之后，反而随着温度的升高而下降。这表明钎焊温度过高或过低都能引起 接头强度的下降。 由图3 1 b ) 可见