原標(biāo)題：大連亞明：新能源汽車用可釬焊的Al-Ni合金熱管理流道板壓鑄過程質(zhì)量控制

壓鑄件滿足釬焊的條件是既不能有氣孔，也不能有氫氣孔。壓鑄件主要生產(chǎn)工藝流程為鋁合金熔煉-檢測(cè)-轉(zhuǎn)運(yùn)-保溫-壓鑄，要求每一個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)遵循嚴(yán)格的工藝要求，才能生產(chǎn)出適合釬焊的壓鑄件。大連亞明為某新能源車企開發(fā)的熱管理系統(tǒng)流道板壓鑄件，通過對(duì)傳統(tǒng)壓鑄工藝的改良，生產(chǎn)的壓鑄件能夠達(dá)到釬焊要求，并通過3 MPa壓力的密封測(cè)試，以驗(yàn)證壓鑄件釬焊的可行性。

圖文結(jié)果

流道板使用Al-Ni合金［成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為0.07%的Si，0.97%的Fe，0.98%的Mn，0.04%的Mg，2.94%的Ni，0.01%的Ti，余量為Al］，其固相線溫度為640 ℃左右，具有良好的鑄造工藝性及焊接性能。鋁合金熔煉環(huán)節(jié)中控制鋁液中的氫氣含量是釬焊成敗的關(guān)鍵因素之一。氫氣在鋁合金液的溶解度很大，而在固體合金中的溶解度卻非常低，因此，在合金冷卻凝固過程中，大量的氫氣析出形成氫氣孔。焊料的牌號(hào)是4104，釬焊溫度為600 ℃，氫氣會(huì)在釬焊加熱過程中放大并從焊接表面釋放。釋放的氫氣過多將影響壓鑄件與焊料的熔合，導(dǎo)致焊接不牢固，影響強(qiáng)度與密封性。在熔煉過程中，鋁液中的氫氣主要來源于水分，包括未經(jīng)干燥的鋁錠、精煉劑、覆蓋劑、變質(zhì)劑、爐襯、坩堝、未充分脫水的氣體、工具上的涂料以及流槽覆蓋的耐火棉等，這些來源的水分將與鋁液按2Al(1)+3H2O=Al2O3(s)+ 6[H]Al形式反應(yīng)生成原子態(tài)氫溶于鋁液。為了控制水分的產(chǎn)生，熔化爐爐體要充分預(yù)熱并確保干燥，預(yù)熱溫度為730~750 ℃，輔助工具也必須充分預(yù)熱、干燥。同時(shí)，也要避免合金材料、坩堝、工具等不被油脂等有機(jī)物污染。

當(dāng)熔化爐用天然氣或重油加熱時(shí)，也可能因碳?xì)浠锓纸馍蓺涠讳X液吸收。為了減少吸收氫氣及合金液氧化，采用非火焰直接加熱鋁合金的熔化方式。熔化設(shè)備采用LSN-1000H可傾燃?xì)廑釄迨饺劢獗貭t，容積為1 t，熔化能力為350 kg/h。鋁合金使用干凈并經(jīng)充分預(yù)熱的合金錠，以及經(jīng)過凈化處理的回收材料，如渣包、料柄、報(bào)廢的零件等。

鋁中氫含量隨著熔化溫度升高而升高，在鑄造過程中應(yīng)嚴(yán)格控制鋁液鑄造溫度。圖1為氫在純鋁中的溶解度。可以看出，670 ℃以上時(shí)，氫氣在鋁液中的溶解度隨著合金溫度的升高緩慢上升，低于670 ℃時(shí)急劇下降，而固態(tài)溶解度接近0。因此，熔化過程中需要嚴(yán)格控制溫度，不宜過高，熔化出液溫度為730~750 ℃。坩堝式熔化爐設(shè)有可通入惰性氣體的保溫蓋，熔化過程中可充入高純氮?dú)猓?9.999%）進(jìn)行保護(hù)。熔化完成后，確認(rèn)溫度達(dá)到出液標(biāo)準(zhǔn)，即可用轉(zhuǎn)運(yùn)澆包出液。熔化爐示意圖見圖2。

圖1 氫在純鋁中的溶解度

圖2 熔化爐示意圖
1.鋁錠 2.保溫蓋 3.坩堝 4.燃燒室 5.燃燒噴嘴

將轉(zhuǎn)運(yùn)包運(yùn)轉(zhuǎn)至精煉工位，點(diǎn)檢完工藝條件即可開始啟動(dòng)設(shè)備進(jìn)行精煉。采用惰性氣體精煉法，設(shè)備為XC 220-1自動(dòng)旋轉(zhuǎn)除氣機(jī)，精煉氣體為高純氮?dú)猓w積分?jǐn)?shù)為99.999%）。通過多次試驗(yàn)確定精煉參數(shù)：氣體壓力為0.2~0.3 MPa，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為 300~500 r/min，氣體流量為1.0~1.5 m3/h，時(shí)間為6~8 min。精煉結(jié)束后，用撇渣勺撈凈浮渣，然后用取樣勺澆注成分檢測(cè)樣塊，冷卻后送檢。取完樣塊后，用HYCAL Mini在線測(cè)氫儀檢測(cè)氫含量及溫度。精煉示意圖見圖3。

圖3 鋁合金精煉示意圖
1.旋轉(zhuǎn)除氣機(jī) 2.石墨轉(zhuǎn)子 3.石棉塞頭
4.茶壺澆包 5.氣泡

精煉結(jié)束，檢測(cè)合格之后，用有惰性氣體氛圍保護(hù)的密封茶壺型周轉(zhuǎn)包將鋁液轉(zhuǎn)運(yùn)至保溫爐中，轉(zhuǎn)運(yùn)過程中壺嘴用石棉塞頭封閉。

采用ZCD 1200定量式保溫爐，使用前要充分預(yù)熱至730~750 ℃，澆注時(shí)采用惰性氣體保護(hù)。保溫爐配備自動(dòng)旋轉(zhuǎn)除氣裝置，可繼續(xù)去除鋁液中的氫氣，保證連續(xù)生產(chǎn)過程中氫氣含量保持穩(wěn)定。停產(chǎn)時(shí)，必須用惰性氣體氛圍保護(hù)，避免吸氫。保溫爐示意圖見圖4。

圖4 保溫爐示意圖
1.升液管 2.石墨轉(zhuǎn)子 3.吹氣孔 4.氣泡

從模具設(shè)計(jì)方面去優(yōu)化密封方式，保證壓鑄生產(chǎn)時(shí)能達(dá)到預(yù)期的真空度。首先，模具分型面加工為燕尾槽，形成完全封閉的區(qū)域，并安裝耐熱膠條。其次，推桿采用環(huán)形槽加O型圈密封。再次，料缸采用密封膠條加耐高溫密封膠方式密封，配合使用真空沖頭，以最大限度避免抽真空過程中可能產(chǎn)生的漏氣。最后，模具真空閥采用搓衣板式，性能可靠，故障率低。

真空泵可選用60 m3/h與100 m3/h的組合。最終確定800 L真空罐配備60 m3/h真空泵，1 000 L真空罐配備100 m3/h真空泵。1 000 L的系統(tǒng)雙回路對(duì)應(yīng)型腔兩個(gè)回路，800 L的系統(tǒng)單回路對(duì)應(yīng)料缸。真空系統(tǒng)啟停控制方式為：料缸回路A，沖頭前進(jìn)封閉澆料口時(shí)真空啟動(dòng)-沖頭到達(dá)料缸真空接口時(shí)真空關(guān)閉；型腔真空回路B、C，沖頭前進(jìn)封閉澆料口時(shí)真空啟動(dòng)-沖頭到達(dá)壓射結(jié)束位置時(shí)真空關(guān)閉。按照計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行真空系統(tǒng)配置。真空系統(tǒng)配置示意圖見圖5。

圖5 真空系統(tǒng)配置圖
1、9、10、11、12. 密封膠條 2. 推桿 3. 動(dòng)模 4. 真空閥 5. 定模 6、13. 真空系統(tǒng) 7. 密封沖頭 8. 料缸

表1 主要工藝參數(shù)

表2 真空度記錄

氣孔是傳統(tǒng)壓鑄件的主要缺陷之一，而對(duì)于釬焊來說，壓鑄件的氣孔幾乎是不可接受的。氣孔主要來源于兩方面，一是壓鑄過程中機(jī)械卷氣，產(chǎn)生于充填過程中卷入的空氣；二是來源于輔助用品的發(fā)氣，如脫模劑、沖頭油；三是液壓油、導(dǎo)熱油、冷卻水等的不正常侵入。

為解決氣孔問題，常用的手段首先是優(yōu)化工藝條件，使用真空系統(tǒng)形成一個(gè)高真空的環(huán)境。其次需要精準(zhǔn)控制發(fā)氣品的用量，避免過多的殘留。再次是確保液壓油、導(dǎo)熱油、冷卻水等沒有泄漏，不會(huì)進(jìn)入料缸、型腔。壓鑄生產(chǎn)的合格零件經(jīng)過去除澆口、清理飛邊毛刺之后，需要進(jìn)行擴(kuò)氫處理，工藝條件是：升溫至600 ℃，保溫2 h，然后冷卻至室溫。擴(kuò)氫處理后表面有鼓包的零件要報(bào)廢處理，沒有鼓包的零件轉(zhuǎn)入后序加工，見圖6和圖7。

圖6 加熱后鼓包的零件

圖7 加熱后合格的零件

經(jīng)過多輪的改進(jìn)、測(cè)試，小批量焊接良品率超過了90%，達(dá)到了客戶的使用要求。釬焊后有氫氣孔的焊縫見圖8，合格的焊縫見圖9。

圖8 有氣孔的焊縫

圖9 合格的焊縫

結(jié)論

壓鑄件中的氣孔對(duì)于釬焊質(zhì)量的影響，首先是釬焊加熱過程中會(huì)起泡，不能滿足外觀要求，其次是影響焊縫的融合，導(dǎo)致密封不合格，而氣孔來源于鋁液中的氫氣及壓鑄過程中產(chǎn)生的各種氣孔。壓鑄過程中產(chǎn)生的氣孔可通過較高的真空度，合理的工藝條件避免。氫氣孔則需要從熔化、精煉、保溫等環(huán)節(jié)去管控。通過多輪的工藝驗(yàn)證，從以上所述的兩個(gè)方面不斷改進(jìn)，生產(chǎn)出了符合要求的壓鑄件。

《可釬焊的Al-Ni合金熱管理流道板壓鑄過程質(zhì)量控制》

作者：

王金堂 吳俊 李剛
大連亞明汽車部件股份有限公司

本文轉(zhuǎn)載自：《特種鑄造及有色合金》