關于汽車散熱器鋁合金管開裂原因的研究
作者：張毅
與傳統(tǒng)的銅管散熱器相比，鋁合金散熱器因輕量化及降成本效果突出，在汽車上得到廣泛應用。但是，鋁合金散熱器對腐蝕、開裂的敏感性增加，容易失效。散熱器失效形式往往表現(xiàn)為釬焊溶蝕穿孔、腐蝕穿孔、焊縫開裂等。某公司生產(chǎn)的汽車散熱器，在使用過程中頻繁出現(xiàn)鋁合金管開裂泄漏，給用戶和生產(chǎn)商均造成損失，但其開裂部位并不在焊管的焊縫處，而是發(fā)生在焊縫側(cè)邊的圓角部位或非焊縫側(cè)的圓角部位，原因不明，亟待研究解決。
1 汽車散熱器的開裂形式
本課題研究的失效汽車散熱器芯體，是采用壁厚為0.3 mm的單層3003鋁合金高頻焊管和帶釬料覆層的波紋帶，經(jīng)600℃~ 610C爐中釬焊而成。汽車散熱器出廠前均要進行打壓測試以保證其氣密性，所以開裂失效只可能在使用過程中發(fā)生。
切取失效散熱器開裂部位及距離裂口兩側(cè)一定距離的鋁合金管進行分析（參見圖1）。對切取試樣進行金相觀察，如圖2、圖3所示。
從圖1和圖2中a可以看出，開裂位于距離焊縫中心約0.8 mm的圓角部位，其局部放大圖2b顯示，鋁合金散熱器焊管的焊縫成形不良（余高過大且側(cè)邊存在裂紋）。圖2中c是開裂部位附近的管內(nèi)壁放大圖，顯示散熱器管未開裂部位的內(nèi)壁也存在微細裂紋，圖中的兩條裂紋深度分別大于15 um和30 um。
圖3是另一失效散熱器開裂部位兩側(cè)2 cm—3cm處管截面的金相照片，顯示散熱器管非焊接側(cè)圓角處的內(nèi)壁存在深度接近壁厚1/3的大裂紋，局部放大后（圖3a）發(fā)現(xiàn)該大裂紋尖端存在朝著管壁厚度方向延伸的線狀微細裂紋。如果應力足夠大，可預測該裂紋會擴展而貫穿整個管壁導致開裂。以上金相分析表明，汽車散熱器管上的裂紋萌生于焊管的內(nèi)壁，且多發(fā)生在變形量最大的圓角處。
2 鋁合金焊管的力學性能及組織分析
雖然散熱器管開裂是在使用過程中發(fā)生的，但其開裂根源可能存在于原帶材軋制、焊管成形和散熱器釬焊過程中。表1是焊管帶材供應商提供的3003鋁合金成分的檢測數(shù)據(jù)，雖然所有成分均符合標準要求，但是與其他廠家的原材料相比，Mn、Fe含量稍顯偏高。由于原帶材無法追溯，只能通過同批次的鋁合金焊管來分析原材料的力學性能、組織及表面狀態(tài)。
焊管生產(chǎn)過程只涉及輥壓成形和高頻感應焊接，除了改變原材料形狀及局部會受到焊接熱循環(huán)影響，不會改變原材料成分與組織。且從失效散熱器管的開裂部位看，裂紋往往萌生于焊管內(nèi)部嚴重變形區(qū)（管壁彎曲部分），與焊接部位沒有直接關系。對失效散熱器管同批次的3003鋁合金焊管進行拉伸力學性能檢測，測試結(jié)果如表2所示。圖4是經(jīng)拉伸測試后的管壁縱向和管壁橫向試樣。從拉伸性能檢測數(shù)據(jù)可以看出，管材的強度在標準參考值范圍內(nèi)靠近下限，即管材強度偏低。特別是沿管壁橫向取樣的拉伸測試結(jié)果表明，焊管橫向力學性能不穩(wěn)定，有一部分測試數(shù)值（強度、伸長率）均低于標準值下限；拉伸斷裂線均平行于焊管縱向而開裂于變形量最大的圓角部位（圖4），表明焊管成形過程降低了焊管側(cè)邊圓角處的力學性能。
為了進一步分析散熱器管的開裂原因，選取失效散熱器管同批次的鋁合金焊管進行組織分析。金相組織照片顯示，原始焊管的內(nèi)壁圓角處（無論焊縫側(cè)與非焊縫側(cè)），統(tǒng)計性出現(xiàn)過度彎曲變形（參見圖5中b）和表面凸凹不平的現(xiàn)象（即局部表面粗糙度增大），且在個別試樣的內(nèi)壁圓角處發(fā)現(xiàn)存在微小的裂紋，如圖Sa所示，表明焊管圓角部位在塑性變形過程中表面狀態(tài)發(fā)生了變化。金相照片還顯示，靠近管壁表層的析出相顆粒（圖5中黑色點狀組織）比心部細小而密集。
3 散熱器鋁合金管的開裂原因分析
該汽車散熱器用3003鋁合金帶材是采用連鑄連軋+冷軋工藝生產(chǎn)的，未經(jīng)退火，其供貨狀態(tài)為H態(tài)（即加工硬化狀態(tài)）。由于冷軋變形量大，帶材中的位錯密度相當高，內(nèi)應力大，塑性較差。3003鋁合金主要靠Mn溶解在Al基體中起到固溶強化作用，Mn和Al可以形成MrlAI6相，F(xiàn)e、Si等元素也可與Al、Mn形成Al6( Fe，Mn)和Al( Fe，Mn) Si共晶相，可降低Mn在Al中的固溶強化效果。帶材的軋制和焊管的輥壓成形過程均會不同程度的改變3003鋁合金的組織結(jié)構(gòu)和應力狀態(tài)。
軋制變形一方面會細化帶材晶粒，提高材料強度，另一方面形變應力會促使第二相在帶材晶界間析出和集結(jié)，這對帶材的力學性能及后續(xù)釬焊加熱過程中的組織變化均有很大影響。特別是焊管的輥壓成形過程，塑性變形基本位于扁管的四個圓角部位。扁管圓角部位在多道次輥壓成形過程中，外壁受拉，內(nèi)壁受壓。管外壁的拉延變形可消除之前軋制過程中產(chǎn)生的內(nèi)應力，而內(nèi)壁繼續(xù)受擠壓應力作用，前后工藝產(chǎn)生的壓應力疊加造成圓角處內(nèi)壁發(fā)生擠壓形變，由于材料沿管壁平面方向無法延展，只能在厚度方向上發(fā)生凸起，即產(chǎn)生表面凸凹變形。焊管圓角處內(nèi)壁的凸凹變形是擠壓變形時材料局部組織、應力不均勻造成的。凸凹變形本身是局部材料不足以抵抗應力而發(fā)生的屈服現(xiàn)象，如果局部材料組織脆化，如第二相共晶成分集中析出，在強大的應力作用下必然可能導致裂紋萌生，這是導致圖5中原焊管內(nèi)壁圓角處出現(xiàn)微裂紋的原因。
在散熱器后續(xù)釬焊過程中，3003鋁合金焊管被加熱到600℃以上保溫，即相當于退火處理。在釬焊過程中，多道次塑性成形所積累的內(nèi)應力會得到一定程度的消除，應力釋放的同時組織粗化和第二相集中析出將變得嚴重。失效散熱器管內(nèi)壁圓角部位的第二相粒子比原焊管相同部分的粗大，導致了管壁局部的材料進一步脆化，在釬焊冷卻過程強大的拉應力作用下，管壁圓角已發(fā)生凸凹變形處有缺口效應，易產(chǎn)生應力集中導致萌生裂紋，或已存在的裂紋源產(chǎn)生進一步擴展。特別是在圖1所示的開裂部位，緊鄰散熱器芯體邊框，該部位剛性最大，產(chǎn)生的拉應力最強，最容易發(fā)生散熱器管開裂。根據(jù)散熱器管開裂部位的實際統(tǒng)計，基本都發(fā)生在靠近邊框的位置。
4 結(jié)束語
該散熱器管開裂存在多方面的因素，其中最直觀的是焊管成形缺陷（焊縫側(cè)邊裂紋與圓角過度變形），說明焊管成形過程中受力不均勻，這需要對焊管成形設備及工藝進行改善。散熱器鋁合金管開裂的根本原因是組織脆化、缺口效應與拉應力過大。應從原材料（3003鋁合金帶料）成分、成形、釬焊工藝等方面進行優(yōu)化：①選用雜質(zhì)含量較低、組織均勻的帶材；②調(diào)整、修繕或更換焊管成形模具，更改多道次變形量，減小焊管成形過程造成內(nèi)壁圓角處的缺口效應；③通過減緩釬焊冷卻時間、減小釬縫間隙等手段控制釬焊應力。
5摘要：針對汽車散熱器鋁合金管圓角處出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象，從汽車散熱器管的開裂形式著手，結(jié)合鋁合金管的原帶材的材質(zhì)、焊管的力學性能及組織結(jié)構(gòu)，分析了其組織脆化、缺口效應與應力集中三大因素對鋁合金管開裂的影響。探討了散熱器管的開裂原因。從原材料成分、成形與釬焊工藝等方面提出了防控散熱器鋁合金管，開裂的辦法。
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