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。