高效散热微通道液冷冷板焊接技术及成形工艺研究

　　冷板是一种单流体（气体、水或其它冷却器）的热交换器。由于冷板具有一组扩展表面的结构、较小当量直径的冷却通道和采用有利于增强对流换热的肋表面几何形状等特点，使其换热系数较高。空气冷却式冷板的热流密度较小，而液冷式冷板的热流密度较大。

　　冷板可以有效地冷却功率器件、印制板组装件及电子机箱所耗散的热量。因此，冷板在电子设备热控制技术中的应用得到了广泛的重视。

　　由于液体的导热系数及比热均比空气大，因而可以大大减少各有关换热环节的热阻，提高冷却效率。

　　因此，液体冷却是一种比较好的冷却方式。如许多大功率发射机的发射管冷却都采用这种方式。

　　随着雷达相控阵技术和固态发射技术的飞速发展和广泛应用，相控阵体制的四代机产品型号越来越多，随之而来的是各种各样高功率密度元器件、组件的应用也越来越多，它们的热流密度大于100w/m.根据冷板热设计理论计算，采用我所目前使用的常规水冷冷板已满足不了相控阵体制雷达的散热要求，必须设计更为先进的、冷却效率高的冷板结构。经调研及计算微通道结构冷板的冷却能力可以满足该类雷达T/R组件高功率安装密度的散热要求。但微通道冷板属国内首创，它的结构复杂，须采用焊接工艺，焊接难度很大。为此，对微通道冷板的成形技术进行了研究。

　　1微通道冷板的结构特点及焊接难点微通道冷板的结构示意图如所示，冷板内部1通过相关模拟试验件的设进行了真空铝|fflshing且且焊缝表表面光光滑组织致密；而60/=合金的填分布了众多微细通道与通道隔冗，还有多种异型导流块，冷板内部腔体尺寸较大；综合考虑机械性能及导热性能，设计选用6063可热处理强化铝合金；四周及内部整体焊接成形后，微通道不允许堵塞；经双面精加工后（腔体双面壁厚较薄）在一定的水压下保持一定时间不泄漏、无变形；热处理强化后要求达到无态，确保a206MPa由的结构可知，其成形方法拟采用焊接成形。

　　但由于冷板腔体内部发布了众多微小通道，在保证密封及连接的焊接时，易对微小通道产生堵塞、变形等技术问题，因此，必须进行焊接方法的选择与研究。

　　2焊接方法的研究目前，常用的焊接方法主要分为三类，熔焊、钎焊及固相焊。由微通道冷板的复杂结构可知，考虑冷板焊后技术要求，由于熔焊易对焊缝周边的微通道产生影响，如堵塞或熔化飞溅物进入腔体等，因此此类结构不适合采用熔焊焊接。对于固相焊，如搅拌摩擦焊，研究结果表明，一方面由于受搅拌头的限制，腔体内部导流块无法焊接；另一方面，搅拌摩擦焊主要适用于对接接头，对于台阶式的接头应加以选择性采用。

　　为搅拌摩擦焊的原理图，将搅拌摩擦焊用于四周常规冷板台阶式接头型式，由于压头肩台道径大于特形指棒（搅拌头道径，为保证不对微通道产生影响，在靠通道内侧会存在非搅拌焊接区，从而对冷板的结构刚度造成影响。因此，固相焊也难以实现微通道冷板的整体焊接成形。假如采用搅拌摩擦焊，需对接头设计及工艺加以研究。

　　目前铝钎焊的方法主要有盐浴铝钎焊、真空铝钎焊及气保护N1k无腐蚀钎剂炉钎焊。对于盐浴铝钎焊由于焊接时进入微通道内腔的盐焊后清洗困难，故不宜采用；为此，对真空铝钎焊及气保护NCok无腐蚀钎剂炉钎焊进行了可行性工艺研究。

　　1微通道冷板的真空铝钎焊研究工艺试验。试验情况表明，6063铝合金的钎料流动性很好，但这一优点对于微通道结构来说反而是不利的，因为它极易导致焊缝周边微通道被钎料堵塞，如所示。因此，真空钎焊虽然能保证密封性，但即使采用阻流槽或阻流冗，也难以保证微通道冷板不被堵塞。

　　鉴于上述研究结果，微通道冷板不宜采用真空钎焊焊接成形。

　　钎焊后堵塞的微通道（X射线照片）26063铝合金气保护炉钎焊的钎焊性研究铝合金的钎焊性主要包括钎料润湿铺展性和填缝性，试验方法采用GB/T1364―1989钎料采用铝硅合金，牌号为BA88Si钎剂采用无腐蚀性的氟化物共晶钎剂（KF/AF=458/542）熔点560°C~585°Q溶化态成分K3AF）+KAF4共晶，适宜钎焊温度为590°C~620°C；钎焊温度选择590°C~610°Q采用真空氮气保护炉焊。为进行对比试验，采用3A21和6063两种铝合金材料试验。

　　试件形状、尺寸及试验时钎料、钎剂的放置如和所示。

　　铺展试验结果：米用3A21和6063两种铝合金，试验时放置相同量的钎料和钎剂，在同一炉次中试验。

　　3A21铝合金的铺展面积约为113￥铺展性较好；6063铝合金的铺展面积约为28mm2，润湿角较大，铺展性较差。

　　填缝试验结果：采用3A21和6063两种铝合金，试验时放置相同量的钎料和钎剂，在同一炉次中试验。

　　A21铝合金填缝性好，在0 25mm间隙处还能填满，且焊缝表面光滑、组织致密；而6063铝合金的填缝性钎焊技术的突破，对微通道冷板的整体焊接成形工艺进行了研究。

　　1焊接接头设计对于焊后需要双面加工的微通道冷板，由于需要加工钎焊后的部分竖焊缝，因此，加工后很可能因钎焊竖缝的致密性不太好而产生少量的泄漏现象。为此，进行了提高竖焊缝致密性的接头设计。

　　所谓钎缝的不致密性是指钎缝中存在有气孔、夹渣和未焊透等缺陷，这些缺陷基本处在钎缝内部。经机加工后会暴露在钎缝表面而产生泄漏。为了提高钎缝的致密性，采用了不等间隙也就是不平行间隙，如所示。

　　1鉴于微通道冷板钎焊的60a6合肯保护也生及平，r设计sm性焊接夹具，如所示较差，填缝间隙小于15mm且焊缝表面粗糙、组织不致密。

　　以上试验结果表明，6063铝合金的润湿铺展性和填缝性都较差，在保护气氛中焊接有密封性要求的冷板，质量难以保证。但6063铝合金这动性较差的特点，若用于微通道冷板的焊接，非常有利于避免微通道被堵塞问题是如何突破6063铝合金的气保护钎焊技术提高焊缝致密性，满足冷板密封性要求。

　　36063铝合金气保护钎焊技术的突破1突破思路寻找一种工艺或技术方法，以明显改善6063铝合金且仅限于焊接接头的气保护钎焊的钎焊性，保证焊缝的致密性。这一思路的特点是：一方面，只改善焊接接头的钎焊性，以满足密封性要求；另一方面，不改变接头外6063铝合金的钎焊性，以避免焊料流入微通道。

　　32突破方法根据从事铝合金气保护钎焊多年的经验与技术积累，采用优化选择并改进的材料作为6063铝合金之间的过渡连接材料，经研究表明，此过渡材料与6063铝合金之间能产生很好的气保护钎焊钎焊性，在适当的焊缝间隙范围内，通过过渡材料巧妙的应用，能得到非常致密的焊缝完全满足密封性要求。

　　4微通道冷板的焊接工艺研究对于平焊缝结构设计，除巧妙应用过渡材料以保证焊缝质量及避免焊料流入微通道外，还在接头中采用了阻流筋的结构设计，以有效防止钎料流入微通道。

　　42加热规范的研究炉钎焊时，工件整体加热，升温过程中的动态变形及应力较小，因此，在保证焊接温度均匀性要求的前提下，可采用强加热规范。这样，一方面可以提高生产效率，另一方面缩短工件的高温停留时间，减少氧化，有利于充分发挥氟化物钎剂的活性及6063铝合金的钎焊。鉴于上述原因，微通道冷板焊接时采用了钎焊前预升高温，即高温入炉，视工件大小、厚薄合理选择入炉温度及升温规范。研究结果表明，焊接加热规范一般应采用400°C~500°C入炉，然后加热升温到605°C~610……、保温2~3分钟。

　　43炉中气氛的控制钎焊时炉中气氛的露点温度越低所需的钎剂量就越少。当露点温度小于一定温度时，钎剂用量可以小到焊后肉眼几乎看不到粉状残渣的焊缝很容易清洗干净。

　　为了减少炉中气氛中的含水气量和含氧量，一方面提高加热升温速度，减少工件在炉中的时间，从而减少钎剂的损失，提高钎焊质垦另一方面，我们采用了相应的技术措施，在焊接过程中阻止周围空气向炉中渗透。

　　44微通道冷板的钎焊通过焊接接头的合理设计、过渡层材料的巧妙应用，对微通道冷板进行了钎焊。为保证工件焊后的气密试验结果表明，在使用专用焊接工装及一定的钎剂浓度、露点条件下，在保证温度均匀性的同时采用强加热规范是十分必要的，并能得到满意的钎焊质量。

　　是微通道冷板焊后的X射线照片，在保证密封性的情况下，微通道无堵塞。目前，此项钎焊工艺技术已应用于多种高效散热微通道冷板的整体焊接成形，在国内处于水平。

　　5结论6063铝合金微通道冷板的焊接宜采用气保护炉钎焊；的钎焊性较差，但在6063铝合金之间巧妙地采用过渡材料，能实现6063铝合金的密封性气保护钎焊；过渡层材料的巧妙应用，既突破了6063铝合金的气保护钎焊技术，又能避免钎料流入微通道；采用气保护nQCk无腐蚀炉钎焊，能实现微通道冷板的整体钎焊成形，焊接质量完全满足技术要求。