江 峰，汪正煒，張 波

應用研究

水冷板加工工藝優(yōu)化設計

江 峰，汪正煒，張 波

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

針對水冷板加工工藝，基于理論分析，確定影響水冷板耐壓性能的因素，提出一種新的水冷板加工工藝。通過在ANSYS中建立水冷板的流固耦合仿真模型，對比分析工藝優(yōu)化前后水冷板耐壓性能，并結合試驗對水冷板耐壓性能進行驗證，實現了水冷板加工工藝的優(yōu)化，耐壓性能提高了超過160%。

水冷板 加工工藝 耐壓性能 優(yōu)化

0 引言

隨著科技發(fā)展，電子器件功率密度不斷增加，而電子器件的可靠性與溫度緊密相關[1]，普通的風冷已無法滿足要求。水冷因具有更高的散熱效率[2-4]，越來越多地用于功率器件的散熱。水冷板作為水冷散熱的主要部件，若發(fā)生泄露和變形，則將會損壞電子元器件。因此，水冷板結構可靠性和耐壓性對電子元器件的正常工作具有重要意義?，F階段的水冷板主要為銅或鋁質，一般分別加工基板和蓋板，然后通過焊接的方式進行連接。主要的焊接方式包括氣焊、釬焊、攪拌摩擦焊等[5]。長期以來，部分學者對攪拌摩擦焊和釬焊等工藝進行了研究[6-7]。釬焊是采用熔點低于焊件的釬料，利用液體釬料填充固態(tài)工件的方法，適合一些焊具無法觸及的部位；攪拌摩擦焊是采用高速旋轉的焊具與焊件摩擦令焊件局部熔化，并在焊具擠壓下形成質量良好的焊縫。攪拌摩擦焊由于其生產成本較低、焊縫質量穩(wěn)定性較好，現階段大部分水冷板的焊接均采用該焊接方式。但由于攪拌摩擦焊只能沿著水冷板基板與蓋板連接邊沿處進行焊接，無法對基板內部翅片與蓋板進行焊接，水冷板的結構強度和耐壓性較差。本文基于理論分析，提出一種攪拌摩擦焊與釬焊混合焊接的水冷板加工工藝，并對其進行仿真計算和試驗驗證，為后續(xù)水冷板設計奠定基礎。

1 水冷板的耐壓性能理論分析

分析常用水冷板的結構形式，其耐壓性能可以簡化為兩端固定的梁的受力形式，其可等同于梁受均部載荷作用下的彎曲變形。其應力方程為[8]:

式中：-結構所受彎矩；W-抗彎截面模量。

水冷板所受彎矩為：

式中：-水冷板所受載荷；-水冷板跨距。

抗彎截面模量W為：

式中：-水冷板深度；-水冷板厚度。

上述可知，水冷板的耐壓性能主要受水冷板的材質，厚度及跨距影響。當水冷板設計定型后，其材質和厚度均已固定。因此，改善水冷板加工工藝，優(yōu)化水冷板跨距是提高水冷板耐壓性能的必要途徑。

2 仿真分析模型

選取一結構形式如圖1所示的水冷板，其材質為紫銅。傳統的水冷板加工工藝為沿基板和蓋板一周進行攪拌摩擦焊(FSW)。為提高水冷板的耐壓性能，提出一種攪拌摩擦焊(FSW)與釬焊混合焊接的新工藝，先采用釬焊將蓋板和基板焊接后，再采用攪拌摩擦焊(FSW)焊接四周。通過建立兩者加工工藝水冷板的仿真分析模型，對水冷板的耐壓性能進行對比分析。

圖1 水冷板仿真分析模型

兩種加工工藝的水冷板外形尺寸均為200 mm×100 mm×22 mm，內部流道等結構均一致。其中采用攪拌摩擦焊(FSW)加工工藝的水冷板蓋板與基板四周添加綁定接觸，采用攪拌摩擦焊(FSW)與釬焊混合焊接新工藝的水冷板蓋板與基板四周及基板肋片與蓋板接觸部位添加綁定接觸，仿真模型均采用基板底面安裝固定。

3 仿真計算

為比較新工藝與傳統工藝加工水冷板的耐壓性能，對比分析兩種加工工藝的水冷板在達到使用材料屈服強度(紫銅屈服強度70 MPa)條件時水冷板所能承受的內部壓力。

3.1 傳統工藝水冷板仿真計算

水冷板加工傳統工藝為沿基板和蓋板四周進行攪拌摩擦焊(FSW)，如圖2～3所示，為內部壓力4 MPa和5 MPa水冷板的應力分布云圖。由圖可知，最大應力主要出現在蓋板上，在壓力為5 MPa時水冷板的應力值達到85 MPa，已超過材料的屈服強度，攪拌摩擦焊(FSW)加工的水冷板耐壓性能為4 MPa。

圖2 內部壓力4 MPa水冷板應力分布云圖

圖3 內部壓力5 MPa水冷板應力分布云圖

3.2 新工藝水冷板仿真計算

水冷板加工新工藝為攪拌摩擦焊(FSW)與釬焊混合焊接，如圖4～5所示，為內部壓力11 MPa和12 MPa水冷板的應力分布云圖。由圖可知，最大應力主要出現在肋片上，在壓力為12 MPa時水冷板的應力值達到74 MPa，超過材料的屈服強度，攪拌摩擦焊(FSW)與釬焊混合焊接加工的水冷板耐壓性能為11 MPa。

圖4 內部壓力11 MPa水冷板應力分布云圖

上述仿真計算結果顯示，傳統攪拌摩擦焊(FSW)工藝加工的水冷板耐壓性能為4 MPa，而采用攪拌摩擦焊(FSW)與釬焊混合焊接新工藝加工的水冷板耐壓性能為11 MPa，新工藝的耐壓性能相對傳統工藝的水冷板耐壓性能提高了175%。

圖5 內部壓力12MPa水冷板應力分布云圖

4 試驗驗證

為驗證攪拌摩擦焊(FSW)與釬焊混合焊接新工藝加工的水冷板耐壓性能，分別采用攪拌摩擦焊(FSW)與釬焊混合焊接新工藝和攪拌摩擦焊(FSW)傳統工藝加工兩種水冷板樣件進行耐壓試驗。如圖6所示，因測量條件限制，試驗時采用測量水冷板表面平面度指標進行判定，當平面度大于0.2 mm時認為水冷板失效。

圖6 平面度測量示意

兩種水冷板樣件進行耐壓試驗記錄如表1、表2所示，表1為攪拌摩擦焊(FSW)試驗數據，表2為攪拌摩擦焊(FSW)與釬焊混合焊接試驗數據。

表1 攪拌摩擦焊(FSW)實驗數據

試驗結果表明，傳統攪拌摩擦焊(FSW)工藝加工的水冷板失效壓強為12 MPa；而采用攪拌摩擦焊(FSW)與釬焊混合焊接加工的水冷板失效壓強為32 MPa，相對傳統工藝的水冷板耐壓性能提高了167%，試驗結果與仿真計算基本一致。

表2 攪拌摩擦焊(FSW)與釬焊混合焊實驗數據

5 結果分析

本文通過理論分析了水冷板耐壓性能的影響因素，提出一種水冷板攪拌摩擦焊(FSW)與釬焊混合焊接加工生產的新工藝。然后結合仿真計算和耐壓試驗分析了攪拌摩擦焊(FSW)與釬焊混合焊接水冷板的耐壓性能，得到了采用攪拌摩擦焊(FSW)與釬焊混合焊接加工生產的水冷板相對傳統的攪拌摩擦焊(FSW)耐壓性能提升了超過160%。

[1] Ozmat B. Interconnect Technologies and the Thermal Performances of MCM[J]. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technologies, 1992,15(5):860-869.

[2] 費萬民, 姚文熙, 呂征宇, 等. 中高壓變頻調速技術綜述[J]. 電力電子技術, 2002, 36(2): 74-78.

[3] Simon PR, Kazuhiro H, Toshio S, et al. Cluster hardening in an aged Al-Cu-Mg Alloy[J]. Acta Metallurgica, 1997, 36(5): 517-521.

[4] 張舟云, 徐國卿, 沈祥林, 等. 牽引逆變器散熱系統的分析與設計[J]. 同濟大學學報(自然科學版), 2004, 32(6): 776-777.

[5] 季節(jié), 馬學智. 銅及銅合金的焊接性[J]. 焊接技術, 1999, (2): 13-15.

[6] 羅蒙麗. 硬質合金釬焊技術的現狀與發(fā)展[J]. 硬質合金, 2015, 32(2): 108-118.

[7] 宋曉村, 朱政強, 陳燕飛. 攪拌摩擦焊的研究現狀及前景展望[J]. 熱加工工藝, 2013, 42(13): 5-8.

[8] 黎明發(fā), 張開銀, 黃莉等. 材料力學[M]. 科學出版社, 2012.

Optimization design of water-cooled plate welding process

Jiang Feng, Wang Zhengwei, Zhang Bo

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TH162

A

1003-4862(2022)04-0038-03

江峰（1993-），男，工程師。研究方向：電子設備冷卻設計。E-mail: 1308179575@qq.com

2021-08-21