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铝加工新技术在散热器领域的应用
2021-11-26 16:24:37 来源:热管理行业观察
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简介:铝合金是散热器制造中应用最为广泛的金属之一,铝合金具有密度低,热导率高,延展性好,强度高等特性,是生产轻量化,高性能散热组件的关键材料。铝合金散热器的加工技术包括挤出,冲压,铣削,铲齿,压铸,搅拌摩擦焊,钎焊等。

铝合金是散热器制造中应用最为广泛的金属之一,铝合金具有密度低,热导率高,延展性好,强度高等特性,是生产轻量化,高性能散热组件的关键材料。铝合金散热器的加工技术包括挤出,冲压,铣削,铲齿,压铸,搅拌摩擦焊,钎焊等。


优质铝合金应用于中冷器(图片源自:UACJ)

近年来,出现了一些铝加工新技术,在尺寸精度、制品质量、高性能、轻量化等方面展示了优势。
可控气氛钎焊
可控气氛钎焊是指钎焊的过程是在炉中进行的,而炉中的气体并不是空气,而是加入氮气,在无氧氮气环境中保持产品温度均匀性。
可控气氛的铝钎焊炉(CAB,Aluminum Brazing unde Controled Atomsphere)是全球知名的金属加热和热处理设备生产以及热处理工艺研究企业Seco/Warwick公司的标志性产品。现在,该种钎焊炉与工艺已在汽车电池冷却器焊接领域获得成功应用,推动了电动汽车(EV)和混合动力电动汽车(HEV)的高速发展。
2021年6月,Seco/Warwick与国内知名散热器企业苏州瑞泰克散热科技有限公司(简称“瑞泰克”)达成合作,为其电动汽车电池冷板项目交付可控气氛铝钎焊生产线,同时Seco/Warwick还将服务于瑞泰克的5G基站换热器生产。
真空钎焊
真空钎焊是一种几乎不熔化母材的接合方法,由于炉内处于真空状态,可以对炉内温度进行高精度的控制和调节,适用于对尺寸精度要求严格的精密零件的接合。 昭和电工使用真空钎焊工艺生产电动汽车功率模块(PM)的铝散热器。电动汽车的 PM 是有助于提高整车性能的重要组成部分,帮助延长电动汽车的续航里程和提高能源效率。由于PM必须安装在车内有限的空间内,因此要求PM散热器结构紧凑、安装方法自由度高,以及高效率和高散热性。

昭和电工用真空钎焊制造的PM铝散热器体积小,将散热铝翅片直接连接到绝缘基板上,对灵活设计冷却水路的位置进行灵活的设计,实现了通用性和高散热效果。该产品于2019年开始量产,目前已被日本的主要PM厂商模块化,并被日本及亚洲其他地区的汽车厂商采用。目前,昭和电工正将PM铝散热器的产能扩大一步,扩建的生产线争取2020年初投产。


真空钎焊工艺制造的PM用铝散热器(图片源自:昭和电工)

CoreFlow ™技术
最近,TWI 发明了一种称为 CoreFlow ™ 的颠覆性技术,该技术可以在不熔化工件的情况下处理工件次表面下方的材料。CoreFlow ™ 是搅拌摩擦焊 (FSW)和搅拌摩擦通道 (FSC)的进一步发展,这使得在单个加工步骤中,将冷却回路通道集成到二维或三维整体部件中成为可能。这些通道可用于热交换器或其他产品。
CoreFlow技术加工的10mm厚AA6082-T6冷板(图片源自:TWI LTD)

TWI 在CoreFlow ™ 技术上为新型的固定台肩了专利,如下图所示,固定台肩用来限制粘性材料的块状物,限制搅拌针提取(铣削)的材料流动。在适当的旋转方向上,部分块状材料在搅拌针几何特征的引导下向上输送,进入肩部。然后,被提取的材料经过台肩内一系列正交定位的孔洞从而被重新引导。这使得提取的通道材料被挤压成一个固连续的固体金属丝。当工具组件沿着预先确定的路径穿行时,提取材料的过程导致在工件内形成一个封闭的通道,并连续排出挤压的金属丝。


CoreFlow 加工的示意图,视图垂直于行进方向。(图片源自:TWI LTD)

CoreFlow ™技术是热管理系统的替代和高效制造工艺,例如用于 IGBT、LED、CPU/GPU 的冷板或用于电动机、电池、电源等的集成液体冷却外壳。


增材制造
热交换器的传统制造方法包括将许多单独的部件钎焊成一个“核心”的复杂制造过程。这些散热器的几何形状可能会受生产工艺限制而相对简单,但金属材料的增材制造(AM)为制造商提供了从根本上改变散热器设计和生产的机会。
通常,热交换器和散热器是线性、矩形、管状或壳式设计;因此,在受限空间内进行安装装可能具有挑战性。AM 能够将热交换器设计安装到不规则的空间中,通常比传统的空间更小、更轻,但性能相同。AM 还允许将多个零件制成一件,这减少了所需的焊接量或根本不需要焊接,从而减少了冷却液泄漏的概率。

PWR 的工程师基于AM技术设计了一种具有翅片结构和管阵列的换热器作为基准,以测试最小壁厚、表面光洁度和传热效率,最终在Eplus3D 激光束粉末床融合 (PBF-LB) 机器 EP-M250Pro 上制造了具有最佳效果的铝散热器。


增材制造的铝制热交换器(图片源自:Eplus3D/PWR Performance Solutions )

EP-M250Pro 双激光金属增材制造机 (PBF-LB) (图片源自:Eplus3D )

另外,今年年初,粘合剂喷射 3D 打印技术的先驱和全球领导者ExOne 宣布,其6061 铝合金粘合剂喷射 3D 打印已得到客户福特汽车公司的认可。ExOne专利的粘合剂喷射 3D 打印和烧结工艺,可快速且可复制性的提供增材制造的铝合金构件,其密度达到99%,材料特性可与压铸铝相媲美。

粘合剂喷射铝合金的增材制造是一种可行的商业方法,在批量生产的速度上比基于激光的3D打印要快很多,这将提高增材制造铝合金散热器的竞争能力。

该图像显示了 6061 铝制部件在粘合剂喷射 3D 打印和烧结后的微观结构,没有孔隙率,以及各向同性和相对较小的晶粒尺寸,是非常理想的,可与铸造或锻造状态下的传统 6061 显微组织相媲美。(图片源自:ExOne )
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铝加工
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