汽车热交换器用三层复合铝箔.pdf

?制造技术/工艺装备现代制造工程 2009年第 11期汽车热交换器用三层复合铝箔赵冠中,毛大恒,黎正华,韩德夫(中南大学机电工程学院,长沙 410083)摘要:综述三层复合铝箔在汽车热交换器中的应用与发展现状,介绍其材料构造、性能参数和生产工艺。三层复合铝箔是以 A-l Si系铝合金为芯材,双面包覆 A-lMn系铝合金而构成,具有优异的综合性能,密度比同类铜箔产品少 40%。复合铝箔的热轧及冷轧制备工艺也已相当成熟,在汽车工业中应用广泛,具有很好的市场发展前景。关键词:三层复合铝箔;结构;性能;制备工艺中图分类号:TG154?文献标识码:B?文章编号:1671?3133(2009)11?0069?04Automobile transfer 3-layer co mposite aluminum foilZHAO Guan-zhong,MAO Da-heng,LI Zheng-hua,HAN De-fu(College ofM echanical and Electrical Engineering,Central SouthUniversity,Changsha 410083,CHN)Abstract:The application and development of 3-layer composite alum inum foilused in automobile heat transfer,including itsma-terial construction,perfor mance parameters and manufacturing methods,are introduced.Having the sa me fra me as a sandwich,3-layer composite alum inum foil ismade withA-lM n alloy as its covematerialand covered by A-lSi alloy on its two sides,leavingexcellent comprehensive perfor mances and 40%weight saving can be obtained compared with these products by copper foi.lW iththe development of sophisticated technology such as hot rol-l bonding and cold rol-lbonding,this product has been widely in auto-mobile field and has good application prospects.K ey words:3-layer co mposite aluminum foi;l frame;perfor mance;fabricatemethods?汽车热交换器包括汽车空调器、水箱散热器、油冷器、中间冷却器和加热器等,传统的热交换器都是由全铜制造 1,而从 20世纪 80年代开始,伴随着真空钎焊技术的发展和汽车轻量化要求的不断提高,铝合金以其成本低、资源丰富和本身的良好成形性,以及耐腐蚀性等优良特性,迅速取代铜成为汽车热交换器的主要制造材料。在工业发达国家,汽车热交换器采用铝材或复合铝箔的使用覆盖率达到 90%以上。1?汽车热交换器铝化的优势与发展在当前环境污染和能源危机的全球大背景下,伴随着社会的发展和科学技术的不断进步,减轻汽车自身重量,不仅可以减少燃料消耗和废气排放,同时也满足安全、绿色环保、低公害的要求 2。为了减轻汽车的质量,一是改进结构设计,二是选用轻量化材料。美国有关部门测试结果表明,汽车自重减轻 10%,油耗可降低 8%,废气排放量可减少 2?8%。而数据显示,在基本相同的加工成本上,汽车散热器以复合铝箔代替铜合金,质量可以减轻 37%45%3,铝成本低、资源丰富,本身具有良好的成形性、耐腐蚀、密度小、比强度和比刚度高等优良特性。防腐铝合金可以延长热交换器寿命,从一般的六年延长到八年左右。铝合金极大地促进了汽车轻量化的发展,在汽车热交换器中得到广泛的应用,成为新一代的制造材料。传统的热交换器基本都是由铜合金制造。20世纪 80年代由于真空钎焊技术的成熟,铝合金开始大量运用于汽车热交换器中,并且发展迅速。在 90年代主要发达国家复合铝箔的使用覆盖率就达到 90%以上,日本和美国的汽车空调器完全采用铝材 4。其中散热器的铝化率,欧洲达到 95%,美国达到 80%,日本为55%。铝合金在热交换器中的用量如表 1和表 2 5所示。在我国铝合金用于汽车热交换器开始于 20世纪90年代。虽然起步较晚,铝化的速度也相对较低,但是也在快速地发展之中。1993年我国复合钎焊铝箔用量只有 1000,t 1994年为 3000,t 1995年需求量达到5000t。2003年时我国汽车年产量为 449?65万辆,平均每辆车用复合铝箔 3?78kg。2007年,我国汽车的69?现代制造工程 2009年第 11期制造技术/工艺装备表 1?汽车铝水箱散热器三层复合铝合金带箔用量部件材料规格/mm用量/(公斤?台-1)波浪带三层复合箔带材 0?1?34?L0?8冷却管坯带三层复合带 0?35?65?L1?4主片双层复合带 1?52?78?L0?22侧片双层复合带 2?40?L0?23拉条300带 1?52?L0?02合计0?77表 2?汽车空调器三层复合铝合金带箔用量部件用途材料规格/mm用量/(公斤?台-1)波浪带冷凝器三层复合带(0?1 0?2)?(19、22、32、44)?L2?5波浪带蒸发器三层复合带(0?1 0?2)?(84、98)?L1?5合计4年产量已经突破 800万辆。2008年由于自然灾害以及金融危机的影响,年产量虽然低于预期目标,但也有 950万辆之多,可见复合铝箔的需求量在不断地大幅增长。2?三层复合铝箔的材料及性能2?1?复合铝箔材料的制备作为制造汽车铝热交换器的核心材料,三层复合铝合金钎焊箔材应满足质轻、耐腐蚀、热传导性好、强度高、成形加工性好、可钎焊、节约贵金属等综合性能和多功能的要求。为达到上述要求,尤其是钎焊性和耐蚀性的要求,铝合金复合钎焊带一般都是由 A-lMn系(3XXX)芯材上双面包覆 A-l Si系(4XXX)合金,包覆率为 10%16%6,如图 1所示,这种结构的复合箔钎焊时无需再施加钎焊料,使铝合金复合箔具有良好的钎焊性能和加工性能,从而简化了散热器、冷凝器的制造工艺,降低了生产成本,同时达到汽车轻量化的目的。图 1?三层复合铝箔的材料结构影响三层复合钎焊箔选材的因素很多,其中钎焊方式是影响选材的关键。不同牌号的芯、皮材的复合箔各有不同的具体用途,且合金的元素含量根据不同钎焊工艺而异,材料要满足多性能要求,性能之间有时又相互制约,需根据热交换器的实际使用要求综合权衡取舍。如在皮材方面,适用汽车保护焊和 NO-COLOK焊接工艺的有 4343、4045、4047等;适用于真空焊接工艺的有 4004、4104等合金;使用中低温的软钎料如锌及其合金等。常用材料如表 3和表 4 7所示。表 3?常用芯材合金主要成分及固、液相线温度牌号M n/%Zn/%固相线温度/?C液相线温度/?C30031?0 1?50?106436543N03*1?0 1?50?5 2?56416533N23*1?0 1?50?5 2?5641653?注:*为日本合金表 4?常用皮材合金主要成分AA 合金牌号Si/%M g/%B i/%固相线温度/?C液相线温度/?C43436?8 8?257761540459?0 11?057759040049?0 11?01?0 2?055959141049?0 11?01?0 2?00?02 0?20559?注:当用于真空钎焊时,4045和 4047合金可含 0?2%M g,其值稍大于 AA 合金规定最大值2?2?三层复合铝箔的主要性能要求汽车热交换器位于车身的前端,要经受雨水冲刷、废气和灰尘杂质的污染,同时承受反复冷热循环和周期振动,工作条件恶劣,这对制造材料提出了较高要求。在三层复合铝箔的结构中,芯材起支撑作用,是材料主体。双面包覆的皮材则可以用来满足其他性能要求,如作为腐蚀层和焊接层。在外包覆加锌的合金层可以有效提高复合铝箔的抗腐蚀能力。锌基合金层腐蚀电位比芯部铝合金层腐蚀电位低,能够作为牺牲电极保护芯材。常用的该类合金为 3003加锌和3203加锌 8,9。包覆 A-l Si合金可以作为钎接层,在钎焊中起钎接作用,如 4343合金,其中 Si的含量高低与焊接性能联系紧密,Si含量高,材料流动性好,填充能力强,但当其扩散到基体界面,会导致固相成分熔化,产生熔蚀。这时可以加入限制性元素 Fe,它可以和Al、Si一起生成三元化合物,抑制 Si的扩散 10。另外,复合铝箔还要具有良好的抗下垂性能,否则,在 600?高温钎焊时很容易发生软化变形,影响产品性能。由于国内外尚无统一的复合铝箔抗下垂性能试验标准,一般采用日本低温焊接委员会的抗下垂试验方法 11,将复合铝箔带一端固定在如图 2所示的下垂试验装置上,另一端悬在支撑架外,保证不锈钢支撑棒到试样悬臂端点长度为 50mm,置于 600?的马70?制造技术/工艺装备现代制造工程 2009年第 11期弗炉中使之达到规定的时间。试验表明,抗下垂性能与材料的冷加工性能和退火软化温度有关,冷加工率一定时,软化退火温度越高,下垂越严重,而在退火温度一定时,冷加工率控制在 20%40%为宜,另外,向芯材合金添加微量元素锆有助于提高抗下垂性能。图 2?复合铝箔抗下垂性能测试装置3?三层复合铝箔的制备工艺目前生产这种三层铝合金复合钎焊带的方法主要有热轧复合、冷轧复合和反向凝固三种。国内运用最广泛的方法是热轧复合。3?1?热轧复合工艺铝合金复合钎焊带的热轧复合工艺 12是指将芯材铸锭和双面包覆的皮材以一定的包覆比(8%12%)叠合在一起,并在一定的温度和压力条件下实现二者结合的一种加工方法,其工艺流程如图 3所示。图 3?热轧复合工艺流程3?2?冷轧复合工艺热轧复合存在生产效率低和成材率低等缺点,而相比之下,冷轧复合具有生产效率高、产品性能稳定等优点,适合于高精度多层金属复合轧制。冷轧复合工艺 13就是凭借大压下量将芯材和双面包覆的皮材以一定的包覆比冷轧重叠,使它们产生原子结合或榫扣嵌合,并通过随后的扩散退火,使之强化的一种加工方法。其工艺流程如图 4所示。图 4?冷轧复合工艺流程3?3?反向凝固反向凝固法是采用 A3003铝合金带材作为基体,常规铸锭 A4343或 A4045铝合金作为包覆材料的一种薄带连铸复合工艺 14,如图 5所示。图 5?反向凝固工艺示意图反向凝固是让一定厚度的基材从反向凝固器内的 A-l Si合金熔液中通过,使基材表面附近的铝合金熔液迅速降温,在基材表面凝固形成新生相,并在新生相还处于半凝固状态时进行轧制,得到表面平整和厚度均匀的热轧薄带。4?结语近几年中国汽车行业迅猛发展,汽车年产量大幅上升,铝热交换器的需求也随之不断增加,复合铝箔的需求量也以 20%的年平均增长率不断上升,到 2010年以后复合铝箔的需求量将达到 100kt以上,要满足巨大的需求,以国内的生产能力而言,仍然存在很大的缺口,需要大量进口。这一现状和本身的优势决定了三层复合铝箔的广阔发展前景,它必将成为今后发展最快的铝合金产品之一。参 考 文 献:1?杨志强.汽车铝制热交换器的应用技术及新型铝材的应用 J.轻金属,1998(4):24-28.2?刘静安.铝材在汽车工业上的开发和应用 J.铝加工,1996,19(3):1-10.3?祖国胤.复合钎焊铝箔技术在汽车热交换器生产中的应用 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J.中国机械工程,1997(8):44-47.10?徐秉业,刘信声.应用弹塑性力学 M.北京:清华大学出版社,1995.作者简介:朱绘丽,硕士,讲师,主要从事机械设计与制造、CAD/CAM 等方面的教学与研究。E-mai:l hl_zhu 收稿日期:2009-04-10(上接第 71页)?7?罗春辉.铝制汽车散热器及其材料 J.轻合金加工技术,1996,24(4):3-5.8?M illerW S,Zhuang L,W ittebround A J,et a.l Recentdevelopment in aluminium alloys for the automotive in-dustry J.M aterials Science and Engineering:A,2000,280(1):37-49.9?赵海军.汽车铝制热交换器的点蚀进展 J.轻金属,2004(2):51-54.10?刘海江.铝合金复合板热轧生产及复合和钎焊机理浅析 J.轻合金加工技术,2004,32(3):23-25.11?日本轻金属协会.技术便览 M.不详,1996.12?王宁.汽车热交换器用铝合金复合钎焊带的加工技术 J.汽车工艺与材料,2004(9):37-39.13?甘卫平.汽车热交换器用三层复合铝合金箔材的冷轧复合工艺 J.中国有色金属学报,1996,6(2):78-81,83.14?L INa,GUO Shouren,LU DengZhong,et a.l Technolo-gy ofA lum inum A lloy Composite by Inversion Casting J.M ter.Sc.i Texhno,l 2002(18):27-30.作者简介:赵冠中,在读硕士研究生。毛大恒,教授、博士生导师,主要从事材料成型等方面的研究。E-mai:l zhao0116 收稿日期:2009-03-26106