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19铝质汽车散热器及其材料pdf

作者:万博  来源:万博manbetx官网  时间:2019-11-05 14:58  点击:


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  一 ,0 . 1996,Vo1.24.NO4 轻 合。金 加 .T- 技 本 铝 质 汽 车 散 热 器 及 其 材 料 4 。B9、 ( 中南工业大学 曼叠塑 甘卫平 . 东北轻合金加工厂 肖亚 廛 U蛐s.12- 摘要】散热器铝化是汽车实现轻量化的重要措施 。介绍了铝质汽车散热嚣的发 一 展过程、接 合技术、散热片与冷却水管的加 工制造及其材抖,以及腐蚀 问题等 ,指出加 快高精度、高性能铝合金硬钎焊薄板和薄壁管材的国产化是我 国铝加工行业当前面 临的重要课题 。 关键词墼垫墨鱼金垒兰生钎焊硬钎焊薄板薄壁管材噼l 1 前 言 . 2 散热器发展过程简介 散热器位于汽车前端,经受着雨水、路面 早 在 1900年 就 出现 了空气 管 (如 图 挥发的盐份、汽车排出的废 气、砂粒、灰尘和 1)H。冷却空气从水平放置的管中流动,环绕 泥浆等的污染。散热器 内冷却水 中可能混有 管子在散热器 内循环 。在Mereedes—Benz轿 腐蚀性及有害的成分 ,散热器还承受着反复 车上采用方管 ,而其他制造商使用前端成六 热循环和周期性振动。这些对于散热器选材、 角形的管子。在散热器发展中的重大改进是 防腐和接合技术等提出了严重的挑战 。传统 散热片系统的采用。空气在带切 口的蛇形散 的散热器采用铜和锡制造 。然而.汽车朝着轻 热片间流动.水在管内流动,如图2所示。现 量化方 向发展,同时出现了低成本的加工和 代散热器仍以这种类型 占主导地位 .只不过 装配技术 ,促成 了铝散热器在汽车上应用获 进行了许多改造。 得成功。目前,散热器 的铝化率[】.欧洲达到 铜具有优 良的导热性、成形加工性、可钎 90 ,美 国达到 6O ,日本达到 25 ,而我 国 焊性和耐蚀性,长期 以来将铜选作散 热器材 铝散热器研制与应用水平较低 。本文对汽车 辩。然而 .1991年与 1985年相 比较,世界商 发动机用散热器的发展过程、铝散热器的接 品汽车用散热器耗铜量下降了275 ,其主 合技术、散热片与冷却水管的制造及材料、腐 要原因是铝散热器应用上升。铝散热器的材 蚀 问题等进行了综述 。 料成本低于铜散热器 ,且不断涌现的新技术 又降低了起始较高的制造加工成本。另一方 面.1966~1975年 ,世界铜价的高涨太大刺 罗春辉、甘卫平—— 长沙中南.T-业大学材料 激了以铝代铜的研究。燃料价格猛升更迫使 系 副 教 授 (邮 编 : 厂家重视轻量化问题。在结构参数和形状相 410083); 近的情况下一铝散热器 比铜散热器轻 35 ~ 肖亚庆——哈 尔滨东北轻合金加工厂总工程 45 一而二者的加工费几乎相 当。 师 (邮编 :150050) 铜和铅都在争夺汽车散热器市场。技术 进步是导致铝散热器大规模生产应用的重要 轻 合 金 加 工 技 末 1996.Vo1.24.N_04 岛 罾·静式 系坑 原 .圮其足接 台技术的发胜。在欧洲 .法吲 亦依稚眦械方法 j芯体连接。将冷却水管插 索非 (Sofica)公i】开发出饥械接合式锅做 在敞热片的适当位置 .在液压力作用下管子 热器 .并从 197u年批 生产、德吲Behr公司 产 膨唯.m将管 与片接合成一体 。在这种铝 从 1976年利Ⅲ VAw 工艺大规摸生广:尤钎 散热器小 ·水管常采用挤压 一拉伸法制造 的 剂钎焊铝散热器 1967年美国发明rl无钎剂 圆管或椭圆管t各金属部件的材质为纯铝和 钎焊技术 .卣钜应朋在 1以水为福玎、介质 的 锆 锰系合金 。到 目油为止tSo[ica、Volk~wa— 热交换器上 ,到 l983年福特 (Ford)汽车公司 gell自JBchr等制造商已生产 了几十万 台机 将此技术应用于汽车散热器上 械接合式铝散热器.应用在欧洲产的各类汽 从散热器的轻 化I-/J、型化,高散热性及 车上 。 防蚀等方面出发.钭散热器在结构和材料上 这种铅散热器的优点是接合时无需加 进行 了积极改进 。古圭近一日本开发了高性能、 热.采只{传统机器设备制造 ·成本低 与相近 超轻型铝散热器u。.已投人批量生产 它采用 尺叫的钎焊散热器相 比.其缺点是散热片问 一 种新 铝合 金 (3 ××系).铝 管壁厚 由 隔较密.拉仲管壁厚较大 一散热能力较低。 0.4mm 减至 0.20mm.由_阿列水管改为一列 3.? 钎焊式散热器 水管.其高度 由22mm减到 18mm。 前的铝 将钎焊合盘包覆到轧制芯坯上 .外层为 散 热器 总重 为 4.1kg.新 型铝散 热器 为 钎料的铝合金色冠薄板加工成波浪状散热带 2.8kg.而相 同容量的铜散热器为 5.6kg。 后.与玲却水管、删板和端头进行预装配,最 后在钎焊炉中钎焊.制成铝散热器。这种散热 3 铝散热器的接 合技术 器的优点是结构紧凑、散热效率高、抗震性 铝散热器的接合技术主要有机械装配法 好 和钎焊法两种 已应用的钎焊方法 是钎剂钎焊和无钎 3.】 机械装配散热器 剂钎焊.前者主要包括火焰钎焊 、空气炉 中钎 利用液压力将 水管 ,散热片 端头和台成 焊 没渍钎焊嗣lNocolok法钎焊等 、而后者则 密封之 间机械接台起来 。水室采用模压塑料 、 包括真空钎焊、VAw 法钎焊和 BorgWarner 6 轻 ‘舍 金 加 工 技 术 1996,Vo1.24,№4 表 1 铝 散 热 器 的各 种 钎焊 方 法 工 艺 过 程 概 要 方 法 炉 内j击 授渍法 N0co』0k法 真空法 VAw 法 钎 抖 Aj. AI.Sl A一【Si A-【Si-Mg A -【si-Ⅱ,Be.Sb 钎 荆 氯化韧钎剂 氟化钫钎荆 气 氛 空气、干燥空气 熔融钎荆 气 133×(10—2~10—4)pa 气 l脱 脂 l I脱 脂l I脱 脂{ 匝囱 臣曲 工 口姻 l 率 艺 l 』 臣圆 过 I钎 焊i l钎 焊l 臣 匝囹 l钎 ’捍 l 程 I挣 却 l I挣 却 { l堡 :塑 j l堡 :却l j l冷 却 l 口 概 l i幸 口 臣麴 要 0 匝蛔 1案层与如垃理l 【酿屠与 面处理{ l意层与崔 理{ + + 幸 表 2 铝 散 热 器 用 合 金 材 料 \ 嘞 机械装配 Nocotak钎焊 线/3005. 管 3003 4045+ZⅡ3003 ’ 4004/3003.4104/3003. 7072/3003/4004 4047/3003 l1O0 7073 3O03 3003 散热片 ll45 8bo6 3003+Zn 3005 3003 8007 B95l 4343/3003.4045/3003 4645/3005,404713005 封头与框架 4045十Zn/3003 4045/5×X×.4104,/3003 4045/3005 4004/3000 散热什 合金以及管子的包覆合盒中加入 Zn,使散热 [~IZIvr3… I‘I… 1 JZ 材 片和管子表面相对管子芯部呈现阳极,这也 称为牺牲阳极保护法。闰4是铝散热器管材 一 B00Inv(^J+ 10 rnI 与散热片材料组成及电位。 对于真空钎焊用铝舍金,为 了增加 “吸 图4 铝散热器管材与散热片材料组成与电位 气”作用.常用含镁的合金作为散热片材料- 如 3005和 ∞5 管材的包覆层亦采用含镁 采用的铝台金参见表 2l6,‘管材主要 由拉伸 的AIs系台金,如 ~.004和 4104。 加工制造,而散热片则 由带式轧制法制造 。 目前.钎焊式铝散热器中散热片大多为 4.1.2 钎焊式铝散热器用材料 不带钎焊料的裸片。但亦有部分铝散热器采 钎焊式铝散热器用材料也列于表 2.一 用包覆铝散热片.其包覆层钎焊铝合金成分 般散热片不包覆.冷却水管为包覆扁管。对于 根据钎焊工艺要求而定。表 3为几种钎焊包 无腐蚀性钎剂的Nocolok钎焊用铝合金,为 覆层铝舍金的主要成分及液-固相线温度 。 了保护冷却水管而不致产生渗漏,在散热片 4.2 材料的制造加工过程 1996,vol_24,No4 轻 舍 金 加 工 技 术 表 3 常用 Al—si钎焊合金的主要成分及液一固相线温度 AA台金牌号 Sl Me BI 固帽线.0^-l1 O 577 590 4O47 l1.0~ 13.0 577 580 4004 9.0~ llO 1.o~ 2 o 559 591 4lO4 9.0~1f.O 1.o~2.o 002~020 559 注 * 当用于线 Mgt该值稍高于AA台盘规定的最大值 表 4 铝 散 热 器 用 冷 却 水 管 \ R寸规格 . (rnm) 材 质 制造工艺 连接工艺 种 娄 、 \ 中8×0.4 拉制铝圆管 中6×O4 AI-Mn(欧洲 精密拉仲 。散热片 机械式 3003~美 国, 6×0.35 拉{I}f铝圆管 中8×04 AI-Mn(欧洲) 精密拉伸 散热片 3003(美国) : 机械式 拉制铝椭圆管 11 AI-Mn(欧洲) . 4×O6×0.4 3003f美国) 精密拉仲 教热片:机械式 拉制铝扃管 150×40×0 AI—Mn(欧洲 I . 44 3003(美国) 精密拉仲 散热片:机械式 焊接铝扁管 竟 127~45 芯材 高 : 3003轧制带 散热片:线 高频对照焊 - 硅钎焊包覆) 壁厚 皮材 4004台盅 端扳 线 散热片 低温钎掉 ( 挤压或拉仲扁营 潦屠 382c) :Ncy380 。 (钎料潦层) (Z 挤压或精密拉仲 端板:低温舒焊(382C) nA】台叠、 工艺-专利保护 或机械式 冷却水管的断面形状大多为圆形、椭圆 技术实现与端板及散热片连接 (如 图5所 形和扁形,其规格及制造工艺见表 4口-。机械 示 。)。拉伸椭圆管和扁管是新一代具有高传 装配式铝散热器用铝管主要用精密拉伸法生 热性的冷却水管,但 由于管子各段受到交替 产,其工艺流程 为:3003合金锭一加 热一挤 的力场,与圆形散热管相 比,扁管的胀管方法 压一拉伸一退火一拉伸 (成品)。 不同。因此.其应力图(即从拉伸变至压缩,从 最先采用的冷却水管是圆管,利用胀管 拉仲 图5 胀管法 中管子与端板及散热片的连接 图6 拉制或焊制椭圆或扁管切向应力分布 8 轻 舍 金 加 工 技 术 1996.Vo1.24.N_O4 压缩变至拉伸)表 明在沿长轴方 向的内表面 原理 .锌涂层先腐蚀 .这样就能减少甚至防止 或沿短轴方 向的外表面会 出现最大应力点 铝合金腐蚀 。相 比之下.硅作为台金元素则促 (如图6H一所示)。然而 .根据扁管横截面的宽 进铝 的腐蚀。 . 度和高度 .采用合适的消除应力退火工艺-可 铝散热器 中起主要散热作用 的是散 热 平衡这个潜在的应力场 ,减小管壁的回j。 片。管片式散热器中散热片上有许多用来插 钎焊式铝散热器用铝管主要采用焊接铝 放冷却水管的孔.一般都是交错排列。这种散 扁管和带钎料涂层的挤压或拉伸铝扁管.其 热片是 由厚度 为 0.12~0.16mm 的铝合金 扁管是用带钎料层的铝合金薄带经高频对焊 薄带通过滚片机或联合冲片机加工而成。 而成 .1981年首次用 3003合金跨轧带生产 。 在管带式散热器 中.散热带上开有百叶 美国的 1IVERNOIS高频感应焊管机列能 窗.并制成波浪式.其波峰或波谷与冷却水管 生产壁厚为 0.25~0.75mm 的薄壁 铝合金 通过钎焊接合 。这种散热带 的加工是在滚带 扁管 .其速度高达 135m/min.该机列包括卷 机上进行 的.即将厚度 0.15~0.20mm 的铝 盘装 卸系统、累积 台f可储存 长达 460m 带 合金薄带 .通过一对齿轮式滚刀,波纹形成 的 材)、焊接 区、急冷 台、辊压成形机组、管材矫 弯曲和开百叶窗的剪切 同时进行.按规定带 直装置和 电动切 割系统.其独特的 I.IVER 距压缩成波纹带 .最后按所需的数 目四断。 NOIS成形工艺是专 门为实现小尺寸扁管精 表 2列举 的铝散热带 为非包覆带 (裸 密成形而设计的。这种管予在焊接前仅 需六 带).但近年来逐步采用外层带钎料 的铝合金 道成形工序就能获得最终形状。圈 7为铝合 包 覆 带 r亦 称 硬 钎 焊 薄 板一 Brazing 金薄带成形为薄壁扁管的过程示意图。 SheetJ 铅合盘硬钎焊薄板的加工工艺流程 这种焊管不存在强度 问题.但焊缝处蜴 为: ’ 产生化学腐蚀和微裂纹.其娘困主要采 自高 - * 1c— 化— 铣 下——— 卜, l: ,占 牡 硅铝合金皮材、冷却液及其变化的受热条什 虞材铸锭 ,Y.Jsltg~ :h『i 帆轧 一J 带软钎料的挤压和拉仲扁管是低温钎 铝管的重要进步 。在铝表面附着涂层的先决 — 热轧复 {}一 轧 一,退A 一 丹轧 一 J睦 々轧。把 条件是除掉挤压时形成的氧化膜 .传统上采 用化学、机械方法 已开发的专利于圭术是利用 与铝挤压机同步 的防 氧化室和潍层线 .其 英 国的Alean轧制厂在生产汽车用散热 原理是在挤压铝管表面新生过程 中就附着表 带和钎焊板方面取得 了很大成珊 .他们拥 面层 ,该表面层可 以是软钎料或硬钎料 .它 {: 有能翦切薄至 60,f~m、宽 19ram 以上 的薄带 会改变铝茜的机械性能 施加锌涂层可配合 的纵剪饥.这是获得精确尺寸的重要保证 。这 其后进行 的软钎焊f380~399C).无需惰性 种 铝 合 金 硬 钎 焊 薄 板 (厚 度 可 薄 至 气体保护和钎剂。这种技术开始用于挤压管. 0.12nln1)-包覆层厚度各 占总厚 的 l0 .要 后又用于拉仲管 .锌涂层扁韬对夺气和冷却 求其 有 良好的钎焊性 、耐蚀性 、成形加工性 液均具有优 良的耐 性 .根据牺牲 饭 护 以及高温耐下垂性等 为 r满足这些要求 、不 仪要考虑材料 的化学成分 .还需要有效控制 , ^■ n口工工艺 j 耐蚀 性 汽车发动机常用 的冷却介质水对锚台盘 是 种恶劣 的。衡蚀介质.此外散 热器还要承 受大气中其他蜡蚀介质的侵蚀。铝质散热器 图7 铝薄壁局营的成形过程 的耐点蚀能力差 锚合盒抗点蚀能力随着 1996.Vo1.24.N94 轻 合 金 如 工 技 术 冷却介质温度升高和冷却介质内有害离了半 径减小而急剧下降。水中含有许多半径小的 氯离子.容易穿透铝合金表面的保 护膜形成 点蚀 (尤其在高温下)。 管材芯材铝发生 阳极反应 A1一 AI” + 3e . (I) Al”+3C1一 A1Clj (2) A1CI~q-3OH一—’AI(OH)3q-3CI一 (3) 其他 比铝合金 电位高的物质产生阴极反 应 : H2o+ o2+ 2g--一 2(oH)一 (4) 图 I¨ 现代铝散热嚣r附风扇单) 散热嚣:(})芯子尺寸(mⅡ1J69} 腐蚀生成物 A1(OH)s堆积.在腐蚀部位 ×400×25,(2)重量 3,75kg, )水 cr和 AI 反复结合与分解、这就是局部腐 容量2.1J【1.(4)性能(条件:正面风速 蚀形成点蚀 .如 图8所示 。 l0m/s.通水量 120[/rain),通气阻 防止 内部腐蚀 的措施有二 :其一是采用 力 382Pa.通水阻力 30.6kPa,散 热 维护 良好 的近封 闭冷却 系统一并使用 含有 面 积 ‰l9m7.散 热 效 率 136O 30 ~如%(体积百分数)防腐乙二醇防冻溶 液的水 ;其二是在玲却水管内侧 “施加”一层 w ·c.【5)结构.薄型铝制芯子、树 脂制水箱.(6)特点.轻量、薄型、耐蚀; 耐蚀铝合金 。- 为提高铝散热器的耐点蚀性 ·近年来多采 风 扇:f1)规格 :足寸 320× 用阴极防腐蚀法。在散热器中一冷却水管是需 40i.静压 88.2Pa.风量 42m。/mia 保护的重点对象。阴极防腐蚀法就是让 电扳 电 及 其 以上 .转速 2l00r/min.输 入 位低的材料部件 (做热片)优先于 电极 电位高 130W 及其以下.噪音 73—2dB及其 的时料部什r冷却水管)腐蚀 .如同9昕示。 以下一(21重 量 3.6kg.f3)材 质 SHRD :P.P+滑石 40 .FAN:P. P.+滑石 l0 .(4)用途.用于散热 嚣及冷凝器的冷却.(5)特点.采用擗 脂帝卜体化 SHRD.实现 了轻量化 采用办法是在散热片中添加各种元素. 以使散热片台金材料的电极 电位降低 .实用 的添帅元索多为Zn、Sn等 。在许多情 况下 . 采用 AI:I.0 zn(7072台金)作为皮材的包 覆散热 .‘还有采 用 1Mn—Sn合金作 为散 热 片材 防止外部腐蚀可通过在金属表面涂铬酸 盐来实现 附加的保护法是采用吉锌的钎焊 台金 (fIAA7072)一它对基体材料形成阴极 保护 此外办采用涂漆方法 在使用中的机 械接合式散热器未采取特殊防腐保护措施 。 表而处理对 防蚀 的影 响十分显著 .按腐 图 9 阴极防腐法示 巷图 蚀 性递减顺序为 : 酸 板 氧化膜、硫酸 阳极 lO 轻 舍 金 加 工 技 术 1996,V。i.24,№4 氧化膜、勃姆石膜、MBV 化学膜,最后是表 今后的课题是散热带和冷却水管保持高 面未经处理的。高温水 (80c)和室温水差别 强度下的薄化,耐蚀性的改善,热交换性能的 较大,高温时金属活动增强,即使经过表面处 提高,接台方法的改进等。 理 用包覆层为7072台金的铝合金仍会发生 我国在汽车铝质散热器的研制与生产方 穿孔腐蚀。 面与发达国家相比有明显差距,尤其是高精 度、高性能铝台金硬钎焊薄板和薄壁管材 尚 6 结 束 语 处于起步阶段。我国将在 “九五”期间加快铝 汽车的轻量化和铝化与铝质散热器的应 散热器用材料 的开发,以东北轻台金加工厂 用密切相关,现代铝质散热器正朝着轻量化 为主 中南工业大学等科研生产机构参与的 和高性能化方 向发展,图 l0说明了某公司生 攻关队伍,将在铝散热器用材的国产化方面 产的铝散热器的功能 。 开展卓有成效 的工作。 ^ ^ 稻林芳人 .川 濑宽,轻金属溶接 .31(7),1993,29—36 G.W inkhaus,Aluminum TecHnology ’86.1986,33— 37 洛阳加工设计院,有色金属在汽车工业上应用前景的探讨,1994:年 12月 川濑宽.轻金属溶接 ,26(10).1988.27—34 竹内桂l王加 ,轻金属 、41(3).1991.208—220 P E.Forfin etc..SAE TechnicalPaper.N9852228.1985 l文i RichardKnol1.SAETechnicalPaper.N9830024 1983 口 JohnLane,Aluminum Industrv.1l(5).1992.20~21 川档宽,轻金属溶接 ,19(1),1981.30—37 收稿 日期 1995~12--04 今年铝价将在 1.65万元/t左右徘徊 目前,我国原铝的生产成本约在 1.5万元 /t以下,而价格为 1.65~1.70万元/t.这个价格 是较为合理的。全年的价格可稳定在 165万元 /t左右.不会出现较大的波动。普遍认为,上涨 的可能性极小,而德中有降的可能性更大一些。其原因是: 1需衣增长有 限,供应充足。估计今年对原铝的需求量约为 l75万t,废铝的需求量约为 25万t。而今年全国的原铝产量有可能达 175t(国家计划产量为 l7O万t)或更多一些,去年的 产量妁为 l65万t;同时、去年原铝厦铝材净进口量约为34万tf前 l1个月的为304万t),其 中有一部分接转到今年。由此可见 .招的供应相 当充足。 2.进 口容易出口难。从今年开始.铝的进 口税下调 30 .而出口退税则由去年下半年的 l4 下调至 9 .如果复关成功 则更会使铝易进难出 3.国际市场原铝缺 口缩小.价格趋跌。随着国际国内铝市场进一步融为一体 .国内招价基 本土受国际市场制约。由于去年国际市场铝价坚挺-使一部分闲置设备陆续起动.同时又有一 些新的生产能力投产.使国际市场原铝的需求缺 口由l994~1995年的 100多万 t/a缩小到今 年的35万t左右 。因此.铝的国际市场价格是稳中略跌。 (四 水)

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