張麗英 徐智雄

摘 要：隨著全世界對(duì)能源問(wèn)題的日益關(guān)注，對(duì)于汽車行業(yè)的各種排放法規(guī)和燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)也逐步縮緊。2020年燃油率要達(dá)到5L/100km（NEDC），2025年達(dá)到4.6L/100km in 2025（WLTP）。國(guó)6a排放法規(guī)也將于2020全面實(shí)施。因此相對(duì)應(yīng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的各個(gè)換熱器也逐步往高性能，輕量化，高壽命的方向發(fā)展。本文就汽車空調(diào)系統(tǒng)中一個(gè)重要零件-冷凝器，闡述了其在輕量化開(kāi)發(fā)中影響抗腐蝕方面的幾個(gè)因素以及提出了改進(jìn)方法。

關(guān)鍵詞：汽車?yán)淠?耐腐蝕特性;SiZnflux;布朗帶

1 引言

一方面空調(diào)冷凝器由于其散熱溫度需求，通常置于冷卻模塊最前端。那么其在日曬雨淋的行駛環(huán)境中，遭受的腐蝕程度也是最嚴(yán)重的。尤其是在一些沿海地區(qū)，或者污染比較重的城市，冷凝器更容易遭受鹽霧侵蝕。另外在一些極寒國(guó)家譬如北歐和俄羅斯地區(qū)，地面有融雪劑（鹽），也會(huì)直接造成冷凝器的腐蝕。另一方面，在提高散熱效率和輕量化的開(kāi)發(fā)中，冷凝器管材和翅片又不得減少材料厚度同時(shí)其耐久壽命普遍需要達(dá)到10-15年。因此對(duì)冷凝器的抗腐蝕特性提出了挑戰(zhàn)。

2 冷凝器的結(jié)構(gòu)和制造方法

目前汽用冷凝器多為鋁制換熱器，由管帶，翅片，積液管，儲(chǔ)液干燥瓶和接頭等零件組成。如圖1。

換熱機(jī)理為內(nèi)部制冷劑通過(guò)管帶和翅片連接肋片由外部冷空氣帶走熱量。管帶多為擠出成型多孔管。根據(jù)不用的管帶寬度，孔數(shù)也隨著改變，如圖2。翅片則為滾壓成型，通過(guò)不同的開(kāi)窗數(shù)量和角度優(yōu)化達(dá)到散熱的目標(biāo)。管帶和翅片以及其他零件通過(guò)夾具預(yù)固定和噴涂釬焊劑干燥后投爐釬焊。釬焊方法通常為Nocolok焊劑釬焊。

釬焊機(jī)理：翅片材料為3003系鋁合金外附4045釬焊層，4045合金層在惰性氣體爐氛中加熱至600℃，熔化后和管帶形成焊腳（如圖3），使得管帶和翅片形成無(wú)數(shù)個(gè)連接點(diǎn)從而進(jìn)行散熱。管帶基材為3003系合金，表面用電弧噴涂防腐Zn層濃度為6+4g/m2或7+ 3g/m2，無(wú)鉛焊層（如圖4）。

3 冷凝器外部腐蝕機(jī)理和失效模式分析

冷凝器在開(kāi)發(fā)驗(yàn)證過(guò)程中的外部腐蝕認(rèn)可，國(guó)內(nèi)多為中性鹽霧，國(guó)外多為SWAAT 鹽霧試驗(yàn)，時(shí)間為500 到1000小時(shí)。 認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)為氣密性測(cè)試，另外一些整車廠還會(huì)在氣密性基礎(chǔ)上要求翅片附著率大于90%以上。

冷凝器的外部腐蝕主要為管帶和翅片之間的腐蝕以及兩者相互產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕損耗的過(guò)程。以噴鋅管材為例說(shuō)明，如圖5所示，管帶材料通常為AL-Mn 合金，在釬焊過(guò)程中表面的ZN元素在高于400度以上時(shí)，Zn元素開(kāi)始向芯體管材擴(kuò)散，并且在釬焊材料熔化（～577℃）之前，Zn具有從管表面朝向管芯材料的濃度梯度。當(dāng)釬料熔化（大于577～585℃）時(shí)，表面層的Zn會(huì)隨著翅片和管帶材料的間隙產(chǎn)生的毛細(xì)作用隨焊料流動(dòng)，在焊腳處形成高濃度的Zn，同時(shí)在管材表面和芯體之間形成約為5-20um的ZN 保護(hù)帶。釬焊完成后在焊腳， 翅片和管子之間會(huì)形式一個(gè)電位差：焊腳>翅片>管帶，如圖5所示。電位根據(jù)原電池原理的腐蝕保護(hù)機(jī)理：腐蝕會(huì)沿著電位差，優(yōu)先腐蝕焊腳-然后翅片-再到管帶表面-最后管帶基體。

當(dāng)焊腳被完全腐蝕完后，會(huì)導(dǎo)致翅片脫落和管子泄漏，如圖6所示是我們市場(chǎng)上售后失效的冷凝器。實(shí)際我們?cè)谡囀酆笫袌?chǎng)出現(xiàn)的冷凝器腐蝕失效模式，主要包括三大類：1>翅片脫落，2>管帶泄漏，3>早期點(diǎn)腐蝕泄漏。

1>翅片脫落主要表現(xiàn)為翅片和管帶之間的焊腳被腐蝕后失去連接而導(dǎo)致的脫落。2>管帶泄漏主要表現(xiàn)為管帶表面鋅層腐蝕剝落后露出基體產(chǎn)品的點(diǎn)腐蝕泄漏。3>早期點(diǎn)蝕泄漏主要表現(xiàn)為鋅在管帶表面不原因分布導(dǎo)致的局部點(diǎn)腐蝕早期失效。管帶過(guò)度腐蝕或者點(diǎn)腐蝕早期，除去管子本身質(zhì)量缺陷以外，主要和管帶材料成分，管帶加工工藝以及噴鋅濃度比例設(shè)計(jì)是否合理有關(guān)。

另外影響冷凝器抗腐蝕性能的重要因素就是釬焊質(zhì)量，主要原因體現(xiàn)為焊腳填充率不足或者翅片溶蝕率過(guò)高導(dǎo)致。而焊接質(zhì)量是否優(yōu)良直接和NOLOCK爐的釬焊參數(shù)包括溫度和時(shí)間的設(shè)置直接相關(guān)。尤其是爐溫峰值時(shí)間，翅片合金4045熔化時(shí)間的設(shè)定尤為重要。本文比較了兩種爐溫設(shè)置下不同的釬焊和抗腐蝕特性表現(xiàn)：

1>熱焊：爐溫峰值Tmax=607，時(shí)間1（>577C）=5min;時(shí)間2（>600C）=2.45min;2>冷焊：爐溫峰值Tmax=598C; 時(shí)間1（>577C）=7mins;時(shí)間2（>600C）=0，同時(shí)取兩種不同釬焊下冷凝器放置于SWAAT腐蝕臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)取40個(gè)翅片，標(biāo)記翅片兩側(cè)的焊腳為80個(gè)，為方便直觀判斷，各個(gè)焊腳侵蝕程度示例如圖7所示。

經(jīng)過(guò)216小時(shí)SWAAT，可以看到冷焊的冷凝器焊腳沒(méi)有明顯侵蝕現(xiàn)象，其焊腳侵蝕率小于30%。而熱焊焊腳幾乎100%被侵蝕，如圖8所示。

另外過(guò)熱釬焊也會(huì)直接導(dǎo)致ZN層過(guò)度擴(kuò)散在焊腳區(qū)域過(guò)度聚集，導(dǎo)致管子表面ZN保護(hù)層不足，使得管子表面被腐蝕或者點(diǎn)腐蝕泄漏，如圖9所示。

因此釬焊過(guò)程參數(shù)控制是影響腐蝕特性的關(guān)鍵因素。

4 提升外部腐蝕特性的方法

除了第2章節(jié)討論的釬焊參數(shù)因素，目前抗外部腐蝕的原理大部分都是采用材料犧牲陽(yáng)極保護(hù)法，通過(guò)犧牲鋅材料達(dá)到保護(hù)基體材料的目的;或者采用噴涂抗腐蝕材料例如噴漆，噴塑等方式達(dá)到保護(hù)的目的。國(guó)內(nèi)大部分冷凝器生產(chǎn)商都是采用電弧噴鋅在1系的鋁合金管帶上面如（如1100，1197等），但是這種設(shè)計(jì)的缺陷明顯，容易導(dǎo)致翅片脫落，原因是釬焊后焊腳的鋅含量過(guò)高導(dǎo)致提早腐蝕掉了。為了避免這個(gè)缺陷，所以市場(chǎng)上設(shè)計(jì)出了兩大類方法達(dá)到防止翅片提早脫落的目的。

第一種方法是通過(guò)采用輥壓工藝增加管帶的表面涂層如Siflux或是SiZnflux（如圖10），改善焊腳鋅濃度過(guò)高的問(wèn)題，均衡鋅在表面濃度的分布。涂層的成份主要是硅顆粒，粘合劑和助焊劑。

與傳統(tǒng)NOCOLOK的冷凝器釬焊工藝流程相比，涂層扁管帶的NOCOLOK冷凝器工藝更加簡(jiǎn)易，由于表面已有涂覆好的助焊劑，可以直接組裝，延后高溫200～400度的去膠（揮發(fā)掉粘合劑）2～3分鐘，直接釬焊。省去了傳統(tǒng)釬焊的加熱降脂，噴淋助焊劑干燥的過(guò)程。節(jié)省了工時(shí)，提高了效率。兩種工藝的對(duì)比流程如下圖11所示。

并且涂層扁管帶還可以省去翅片上符合4045釬焊釬料的工序。通過(guò)涂層硅顆粒和鋁合金集采發(fā)生反應(yīng)形成Al-12%Si的共晶釬料，若在涂層中加入鋅，鋅在表面均勻分布還可以起到犧牲層的作用，減緩鋅在焊腳積聚，改善外部腐蝕翅片提早脫落的問(wèn)題。涂層釬焊的原理如下圖12。

第二種方法是直接改善基材合金的抗腐蝕能力。取消電弧噴鋅的同時(shí)，在表面直接增加釬料4045或4343。這種合金我們統(tǒng)稱為長(zhǎng)壽命鋁合金Al-Mn-Cu（簡(jiǎn)稱LLA）。通過(guò)3003的合金成分的調(diào)整如Cu，Mg，Ti或Zr等元素的含量，冷滾軋和人工退火把退火狀態(tài)調(diào)整到釬焊前的H24狀態(tài)。我們通過(guò)20天的循環(huán)酸性海水腐蝕試驗(yàn)（SWAAT），我可以發(fā)現(xiàn)普通的3003+Cu產(chǎn)生了點(diǎn)腐蝕，而LLA的腐蝕方向產(chǎn)生了改變，從縱向變成了橫向的層狀腐蝕，大大延長(zhǎng)了腐蝕的壽命。原因是釬焊之后，通過(guò)元素的擴(kuò)散和表面晶體的再結(jié)晶，會(huì)再材料表面性能一層扁平形晶體，層狀結(jié)構(gòu)的布朗帶（如下圖14所示）。目前LLA長(zhǎng)壽合金主要用在0.2～0.23mm厚度的折疊扁管上面。在多家外資企業(yè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用。

5 總結(jié)

從各種提高冷凝器整體壽命的方法中，有犧牲陽(yáng)極保護(hù)的方法：電弧噴鋅或者是涂覆SiZnflux改善鋅在表面的分布都可以提高冷凝器的抗外部腐蝕的壽命。我們還還可以通過(guò)改善芯體基材的成分，產(chǎn)生布朗帶，改變腐蝕方向延長(zhǎng)腐蝕的時(shí)間來(lái)提高壽命，都是可取和有實(shí)際的效果的提高。另外也可以改變符合材料的組成結(jié)構(gòu)譬如4層/5層多種復(fù)合材料，起到同時(shí)提高芯體基材和犧牲保護(hù)層的，滿足未來(lái)10-15年全壽命的抗外部腐蝕的要求。

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