2019年 第6期热加工性学
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■曾天俊
摘要：铜铝复合冷板对制造工艺的要求相对较高，尤其是铜铝复合钎焊工艺的选择，是此类冷板制造工艺中的关键工艺，本文主要分析了我公司各种钎焊工艺在铜铝复合冷板中的应用与效果。关键词：铜铝复合；真空钎焊；手工钎焊；密封性；热流密度
1. 概述
随着各种电子设备技术不断发展，设备体积越来越小，功率越来越大，高热流密度冷板的应用是必然趋势，但超高的热流密度，纯铝质的水道冷板其散热性能已不能满足使用要求。由于纯铜导热性能远高于铝合金材料，因此选用纯铜作为冷板基体材料可以解决高热流密度的散热问题，但纯铜的比重高于铝合金，使用场合受到限制。为了解决这一矛盾，选用铜铝复合冷板是个不错的选择，但存在异种材料的焊接这个技术瓶颈，本文主要对我公司目前生产的此类冷板各种钎焊工艺在铜铝复合冷板的应用效果分析进行对比和总结。典型产品如图1所示。
2. 产品结构及主要技术要求
铜铝复合冷板一般为板状对称结构，主要含各种器件安装凸台，凹槽及冷却介质通道等主要特征，通
常在大功率器件安装部
图 1
农村文化建设论文位和冷却介质通道使用纯铜材质制造，其余部位使用铝合金材料制造，铝板包覆在铜质流道外表面。如图2所示，铜管、堵头、散热块、接头的材质为T2；上下盖板材质为3A21。
铜铝复合冷板主要技术要求有：①冷却通道密封性要求在1.5MPa 压力下，保压120min 无渗漏现象。②冷板在2kW 功率下正常工作时，壳体表面温度≤40℃。③冷却通道真空漏率≤1×10-6Pa·m 3/s 。④大功率器件安装面平面度≤0.03m m 。⑤铜铝接合面焊接良好，接触紧密，焊缝质量达国家Ⅱ级标准。 3. 钎焊工艺的选择
本冷板钎焊主要分两个部分，一部分是铜管路的组焊，另一部分为铝板包覆层的组焊。铜管路的焊接主要保证冷却通道密封要求，铝板包覆层的焊接主要是保证冷板导热性的要求。根据各自焊缝结构和技术要求的不同而选择相应的钎焊工艺。钎焊的原理主要是通过在低于母材熔点、高于钎料熔点的某一温度下加热母材金属，通过液态钎料在母材金属表面或间隙中润湿、铺展、毛细流动填缝、最终凝固结
图2 冷板平面示意
1.上盖板
2.下盖板 3、4、7．铜管
6.堵头 5.散热块 8.接头
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晶而实现原子间结合的一种材料连接方法。既要保证产品质量要求，又要考虑制造成本，选择一种合适的钎焊工艺非常关键。下面从焊接方式、焊缝结构，焊料的选择进行对比分析。
（1）铜管路组焊 焊接方式的选择：此类产品常用焊接方式有手工火焰钎焊、高频感应钎焊、真空炉中钎焊、氮气保护炉中钎焊。其中手工火焰钎焊、感应钎焊设备简单，主要依靠操作工人的技术水平保证产品质量，成本低适合单件小批量生产。真空炉中钎焊、氮气保护炉中钎焊属于自动焊接，依靠设备保证质量，相对来说质量比较稳定，每炉可装多件产品，适合大批量生产。以上四种焊接方式的优缺点如表1所示。
手工火焰钎焊、感应钎焊均是在空气中实施焊接，难免会有氧化物产生，后续需清除氧化物。但管道内壁氧化物清理难度较大，针对此问题可以采用手工火焰钎焊加氮气保护的方式进行焊接。无论是手工火焰钎焊、感应钎焊、还是氮气保护炉钎焊均需使用助焊剂，焊后焊剂清洗比较麻烦，而真空炉中钎焊不需要使用助焊剂，也不会产生多余的氧化物，既环保又经济。以上四种焊接方式均使用银基钎焊料，根据焊缝要求的强度不同，所使用的银基钎料成分不一样。
焊缝结构的选择：此类产品焊缝属耐压焊缝，焊缝要求在1.5MPa 压力下，保压120min 无渗漏现象，并保证焊缝真空漏率≤1×10-6P a·m 3/s ；在如此高的焊缝强度和漏率要求下焊缝结构
和焊缝间隙的选择尤为关键。为了满足焊缝强度的要求，焊缝结构通常选择搭接结构，如图3所示。
焊缝搭接长度和间隙是影响焊缝强度和漏率的重要因素，通过试验数据表明搭接长度2~5mm ，焊缝间隙0.03~0.06mm 为最佳效果，具体试验数据如表2所示。
（2）铝板包覆层组焊 在铜管表面焊接铝板包覆层属异种材料的焊接，铜管材质为T2纯铜，铝包覆层材质为3A21铝合金，由于铜铝材料物理、化学性能的巨大差异，给焊接带来难度，主要存在以下技术难点。
第一，由于铜铝比热容不一样，铜比热容0.39×103J/kg ℃，铝比热容0.88×103J/kg ℃，如果相同质量铜和铝加热相同时间，
铜的温度是铝的2.25倍，当铝的温度升高到500℃ ，铜已经达到1128℃ ，远远超出铝合金熔点630℃，会将铝材表面溶蚀。
第二，由于铜铝线性膨胀系数不一样，铜17.5×10-6/℃，铝23.5×10-6/℃，相差6×10-6/℃，如果相同长度710m m ，每升高100 ℃，长度相差0.4mm ，焊缝成形有一定的难度，铜铝材料膨胀和收缩不同步产生内应力会破坏管路焊缝，造成泄漏。
第三，铜铝直接钎焊会产生大量金属间脆性化合物，通常通过电镀改性，减少铜铝原子间直接接触，避免形成脆性金属间化合物，目前常用工艺是在铝板表面电镀N i-S n 镀层，将铜铝焊接变成铜铜焊接。
第四，此类产品常用焊接工艺为真空炉钎焊或氮气保护炉钎焊。根据产品的要求不同而选择相应的焊接方式，如果允许使用助焊剂可采用氮气保护炉钎焊（见图4），如果不允许使用助焊剂可采用真空炉钎焊（见图5）。无论是真空炉钎焊还是氮气保护炉钎焊，均使用锡基钎焊
表 1
焊接方式优点缺点
适用场合手工火焰钎焊设备简单效率低、有氧化物生成单件研制高频感应钎焊设备简单效率低、有氧
化物生成小批量生产氮气保护炉钎焊效率高、质量稳定设备投资大，成本高大批量生产真空炉钎焊
效率高、质量稳定
设备投资大，成本高
大批量生产
图 3
表 2
焊接材料搭接长度/mm
焊缝间隙/mm
漏率/Pa·m 3·s -1
耐压/1.5MPa
T2+T220.03 1.1×10-7OK T2+T230.04 2.5×10-7OK T2+T240.05 2.3×10-7OK T2+T2
5
0.06
一个人对话1.8×10-7
OK
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大型集装箱船EH47钢的焊接技术研究
■赵连春，杨波，李光辉，任家东
摘要：本文针对大型集装箱船用EH47钢的焊接工艺进行了研究，从接头设计到焊接参数和焊道布置等方面深入阐述，本项目开发了EH47钢的专用焊接工艺，使焊接接头满足相关性能和CTOD 要求。关键词：焊接；预热温度；EH47钢；CTOD
1. 概述
我公司建造的两万箱集装箱舱口围结构部分采用了厚度80mm 的EH47钢。具体的牌号有EH47COD 、EH47BCACOD 。其中BCA ：脆性裂纹阻止；CTOD ：
2. 方案的设计
两万箱产品舱口围区域对板材的强度和抗裂性要求非常高，焊接建造的难度和风险远超普通民品。EH47钢的应用部位如图1所示。本项目通过E H47钢的焊
图 4 图 5
料。
由于以上技术难点的存在，焊接温度和焊缝间隙的选择是关键，目前此类冷板通常采用低温锡钎焊，焊接温度低于300℃，为了便于焊缝成形，严格控制零件装配间隙，让其在焊接过程中
自由膨胀和收缩，焊缝间隙的大小通常根据零件的体积大小来计算。另外，在焊接过程中还需通过适当的焊接工装进行固定，并严格控制升温和降温速率，控制焊接变形量。
4. 结语
铜铝复合冷板的制造技术难
点在于焊接，选择合适的焊接方
20190319
法，既能保证产品质量又能节约成本。本文通过对我公司各种常用焊接方式的分析对比，为此类产品的批量生产提供一些思路，促进此类产品的快速推广应用。
参考文献：
[1] 史耀武.中国材料工程大典
[M].北京：化学工业出版社.[2] 方洪渊.简明钎焊工手册[M].
北京：机械工业出版社.[3] 黄德彬.有金属材料手册
[M].北京：化学工业出版社.作者简介：曾天俊，扬州恒星精密机械有限公司。
裂纹尖端张开位移。E H47钢因为其特殊的性质和用途，生产上对其焊接质量要求更高，因此需要开发出一套适于E H47钢的焊接工艺，以满足大型集装箱船的建造需要。
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