关于汽车散热器铝合金管开裂原因的研究

作者：张毅

   与传统的铜管散热器相比，铝合金散热器因轻量化及降成本效果突出，在汽车上得到广泛应用。但是，铝合金散热器对腐蚀、开裂的敏感性增加，容易失效。散热器失效形式往往表现为钎焊溶蚀穿孔、腐蚀穿孔、焊缝开裂等。某公司生产的汽车散热器，在使用过程中频繁出现铝合金管开裂泄漏，给用户和生产商均造成损失，但其开裂部位并不在焊管的焊缝处，而是发生在焊缝侧边的圆角部位或非焊缝侧的圆角部位，原因不明，亟待研究解决。

1  汽车散热器的开裂形式

  本课题研究的失效汽车散热器芯体，是采用壁厚为0.3 mm的单层3003铝合金高频焊管和带钎料覆层的波纹带，经600℃~ 610C炉中钎焊而成。汽车散热器出厂前均要进行打压测试以保证其气密性，所以开裂失效只可能在使用过程中发生。

切取失效散热器开裂部位及距离裂口两侧一定距离的铝合金管进行分析（参见图1）。对切取试样进行金相观察，如图2、图3所示。

  从图1和图2中a可以看出，开裂位于距离焊缝中心约0.8 mm的圆角部位，其局部放大图2b显示，铝合金散热器焊管的焊缝成形不良（余高过大且侧边存在裂纹）。图2中c是开裂部位附近的管内壁放大图，显示散热器管未开裂部位的内壁也存在微细裂纹，图中的两条裂纹深度分别大于15 um和30 um。

  图3是另一失效散热器开裂部位两侧2 cm—3cm处管截面的金相照片，显示散热器管非焊接侧圆角处的内壁存在深度接近壁厚1/3的大裂纹，局部放大后（图3a）发现该大裂纹尖端存在朝着管壁厚度方向延伸的线状微细裂纹。如果应力足够大，可预测该裂纹会扩展而贯穿整个管壁导致开裂。以上金相分析表明，汽车散热器管上的裂纹萌生于焊管的内壁，且多发生在变形量最大的圆角处。

2  铝合金焊管的力学性能及组织分析

虽然散热器管开裂是在使用过程中发生的，但其开裂根源可能存在于原带材轧制、焊管成形和散热器钎焊过程中。表1是焊管带材供应商提供的3003铝合金成分的检测数据，虽然所有成分均符合标准要求，但是与其他厂家的原材料相比，Mn、Fe含量稍显偏高。由于原带材无法追溯，只能通过同批次的铝合金焊管来分析原材料的力学性能、组织及表面状态。

焊管生产过程只涉及辊压成形和高频感应焊接，除了改变原材料形状及局部会受到焊接热循环影响，不会改变原材料成分与组织。且从失效散热器管的开裂部位看，裂纹往往萌生于焊管内部严重变形区（管壁弯曲部分），与焊接部位没有直接关系。对失效散热器管同批次的3003铝合金焊管进行拉伸力学性能检测，测试结果如表2所示。图4是经拉伸测试后的管壁纵向和管壁横向试样。从拉伸性能检测数据可以看出，管材的强度在标准参考值范围内靠近下限，即管材强度偏低。特别是沿管壁横向取样的拉伸测试结果表明，焊管横向力学性能不稳定，有一部分测试数值（强度、伸长率）均低于标准值下限；拉伸断裂线均平行于焊管纵向而开裂于变形量最大的圆角部位（图4），表明焊管成形过程降低了焊管侧边圆角处的力学性能。

为了进一步分析散热器管的开裂原因，选取失效散热器管同批次的铝合金焊管进行组织分析。金相组织照片显示，原始焊管的内壁圆角处（无论焊缝侧与非焊缝侧），统计性出现过度弯曲变形（参见图5中b）和表面凸凹不平的现象（即局部表面粗糙度增大），且在个别试样的内壁圆角处发现存在微小的裂纹，如图Sa所示，表明焊管圆角部位在塑性变形过程中表面状态发生了变化。金相照片还显示，靠近管壁表层的析出相颗粒（图5中黑色点状组织）比心部细小而密集。

3  散热器铝合金管的开裂原因分析

  该汽车散热器用3003铝合金带材是采用连铸连轧+冷轧工艺生产的，未经退火，其供货状态为H态（即加工硬化状态）。由于冷轧变形量大，带材中的位错密度相当高，内应力大，塑性较差。3003铝合金主要靠Mn溶解在Al基体中起到固溶强化作用，Mn和Al可以形成MrlAI6相，Fe、Si等元素也可与Al、Mn形成Al6( Fe，Mn)和Al( Fe，Mn) Si共晶相，可降低Mn在Al中的固溶强化效果。带材的轧制和焊管的辊压成形过程均会不同程度的改变3003铝合金的组织结构和应力状态。

  轧制变形一方面会细化带材晶粒，提高材料强度，另一方面形变应力会促使第二相在带材晶界间析出和集结，这对带材的力学性能及后续钎焊加热过程中的组织变化均有很大影响。特别是焊管的辊压成形过程，塑性变形基本位于扁管的四个圆角部位。扁管圆角部位在多道次辊压成形过程中，外壁受拉，内壁受压。管外壁的拉延变形可消除之前轧制过程中产生的内应力，而内壁继续受挤压应力作用，前后工艺产生的压应力叠加造成圆角处内壁发生挤压形变，由于材料沿管壁平面方向无法延展，只能在厚度方向上发生凸起，即产生表面凸凹变形。焊管圆角处内壁的凸凹变形是挤压变形时材料局部组织、应力不均匀造成的。凸凹变形本身是局部材料不足以抵抗应力而发生的屈服现象，如果局部材料组织脆化，如第二相共晶成分集中析出，在强大的应力作用下必然可能导致裂纹萌生，这是导致图5中原焊管内壁圆角处出现微裂纹的原因。

  在散热器后续钎焊过程中，3003铝合金焊管被加热到600℃以上保温，即相当于退火处理。在钎焊过程中，多道次塑性成形所积累的内应力会得到一定程度的消除，应力释放的同时组织粗化和第二相集中析出将变得严重。失效散热器管内壁圆角部位的第二相粒子比原焊管相同部分的粗大，导致了管壁局部的材料进一步脆化，在钎焊冷却过程强大的拉应力作用下，管壁圆角已发生凸凹变形处有缺口效应，易产生应力集中导致萌生裂纹，或已存在的裂纹源产生进一步扩展。特别是在图1所示的开裂部位，紧邻散热器芯体边框，该部位刚性最大，产生的拉应力最强，最容易发生散热器管开裂。根据散热器管开裂部位的实际统计，基本都发生在靠近边框的位置。

4  结束语

该散热器管开裂存在多方面的因素，其中最直观的是焊管成形缺陷（焊缝侧边裂纹与圆角过度变形），说明焊管成形过程中受力不均匀，这需要对焊管成形设备及工艺进行改善。散热器铝合金管开裂的根本原因是组织脆化、缺口效应与拉应力过大。应从原材料（3003铝合金带料）成分、成形、钎焊工艺等方面进行优化：①选用杂质含量较低、组织均匀的带材；②调整、修缮或更换焊管成形模具，更改多道次变形量，减小焊管成形过程造成内壁圆角处的缺口效应；③通过减缓钎焊冷却时间、减小钎缝间隙等手段控制钎焊应力。

5摘要：针对汽车散热器铝合金管圆角处出现开裂的现象，从汽车散热器管的开裂形式着手，结合铝合金管的原带材的材质、焊管的力学性能及组织结构，分析了其组织脆化、缺口效应与应力集中三大因素对铝合金管开裂的影响。探讨了散热器管的开裂原因。从原材料成分、成形与钎焊工艺等方面提出了防控散热器铝合金管，开裂的办法。