随着汽车发动机性能的不断强化,热负荷越来越高,对冷却系统的要求也越来越高,人们对包括散热器在内的发动机冷却系统的研究越加重视,新技术、新材料不断涌现,在保证散热器具有足够散热能力和强度的前提下,体积更小、质量更轻、散热效率更高成了散热器发展的必然趋势。

1 热交换器轻量化发展

20世纪80年代中期，美国采用钎焊工艺制造铝散热器取得成功后，才使铝散热器的规模化生产和应用成为可能。1985年，日本也首次铝制RAD量产化成功。此后铝材化急速发展，轻量化需求越来越强烈。随着热交换器铝材化的普及，铝制产品生产工艺越来越成熟，人们对铝制RDA轻量化又提出了更高的要求：对管料和翅片料进行减薄。如图1所示，随着高强度、高耐腐蚀性材料的开发，铝化开始的25年间，料厚大约减薄了1/2。

  

图1 各种热交换器管子和翅片的料厚变化

2 RAD管料的的研究

水箱冷却水管有O型管和B型管之分。O型管又称电缝管，通过一系列的轧辊成型后同时利用高频线圈焊接，经过涡流探伤仪探伤，合格的产品校直切断，进入下一道工序；B型管则不需要焊接，只是通过轧辊成型，成型过程中在B柱材料上自动涂抹焊剂，通过高温钎焊在一起。设备相比较O管成型机简单便宜，且结构上在中间柱处有多种形式，如图2所示。

德育在某种意义上是一种心育，唯有深入学生的内心世界，触动学生的灵魂深处，道德养成教育才能真正产生实效。教师应该重视关心学生真实的内心世界，用心设计教学活动，让道德真正成为学生的精神财富。课堂活动设计是一个复杂而系统的工程，是教师创造性的劳动。教师只有心中有标，眼中有生，才能真正设计出符合学生特点，契合教学要求的活动来。

在统一授课之后对学员进行“手把手”操作演示以及穿刺，以小组为单位，利用家猪麻醉后活体进行EUS检查及治疗操作模拟，具体步骤及教学过程参考文献[3]。

  

图2 水箱水管

2.1 管料的强度

文中提及的管料使用的是复合材料，复合材料大致分3层：焊材层、芯材层和牺牲材层。其制造方法是将焊材、芯材和牺牲材三者按顺序热轧粘合形成卷材。卷材的一面是焊材面，作为水管的外壁，为Al-Si合金，构成比为5%～15%；芯材为Al-Mn合金，其构成比为60%～85%；牺牲材面是卷材的另一面，为Al-Zn合金，其构成比为10%～25%。

同样的材料改变应用在B型管料上发现，Mg过度的添加虽然提高了材料的强度，但钎焊性能明显下降。B型管的特殊结构，虽然使得强度增强，但产品钎焊不良率直线上升。为了解决这一实际情况，对材料进行处理，保证强度的同时进行去Mg。表2是B型管复合材料的变化趋势。同样，利用去Mg材料制作出电缝管和B型管，对其前后的拉力强度进行测试，测试结果如图6所示。从图6中可以看出，不管对电缝管还是B型管，减薄后材料的拉伸强度满足原来的需求。在拉伸强度提高的前提下，可以将用于电缝管和B型管上的减薄材料进行统一，减少库存量和采购成本。

结果显示：添加以上元素后，随着材料的减薄，材料的强度并没有减弱，反而有所增加,见图5所示。

在高职EDA教学中教师应结合实际教学情况，确定不同于本科学生的教学目标。目标要切实可行，理论讲解、动手实践比例要适宜。

随着Mg的添加，人们又考虑添加Zn、Fe、Cu等元素，从而对电缝管材料进行减薄。表1是电缝管材料的规格变化史。由表1我们可以做出改进：⑴对牺牲材添加Mg，对芯材添加Cu和Fe，以增加材料的强度；⑵对牺牲材添加Zn，对芯材添加Cu，以增加材料的耐腐蚀性。

通过试验观察比较，得出以下结论：在牺牲材增加Mg的含量，调整牺牲材的复合率，可以增强材料的强度和钎焊性，试验结果如图4所示。

近红外光谱仪（Near Infrared Spectrum Instrument，NIRS）是介于可见光（Vis）和中红外（MIR）之间的电磁辐射波，美国材料检测协会（ASTM）将近红外光谱区定为780～2 526nm，是人们在吸收光谱中发现的第一个非可见光区。

  

图3 Mg对焊剂残渣形态的影响

  

图4 Mg含量的影响

 

表1 电缝管的材料规格

  

名称 过去材 中强度·中厚材 高强度·减薄材牺牲材/% Al-1.0Mg-0.6Zn 15 Al-1.5Mg-1.0Zn 15 Al-1.5Mg-HiZn-Ti 15材料构成 芯材/% Al-1.2Mn-0.5Cu 75 Al-1.2Mn-0.6Si-0.5Cu-Ti,Zr 75 Al-1.3Mn-0.6Si-HiCu-HiFe 75焊材/% 4343 10 4343 10 4343 10料厚/mm 0.3 0.25 0.2开始使用 1996年左右 2001年左右

⑴Mg在铝的表面形成坚固的氧化膜（MgO等），同时阻碍润湿性。

⑵由于Nocolok焊剂(K1-3AlF4-6)与Mg的反应，生成了高熔点的、惰性的MgF2、KMgF3等物质，使得焊剂活性度下降。

4.对于本节的几个关键性结论，教材与教参上都没有相应的实验，只有几点简单的文字介绍，这也使学生在学习、理解和掌握这些理论时感到十分枯燥和抽象，造成了学生在学习上的困难。

  

图5 减薄材料钎焊后的强度

为了增强管料的强度，我们尝试在牺牲材中添加Mg，通过扫描隧道显微镜(STM)观察到材料中的Mg对焊剂残渣形态的影响，如图3所示，其影响有2个方面。

  

图6 去Mg材料的拉伸强度测试

2.2 管料的耐腐蚀性

 

表2 B型管材料的发展变化

  

名称 过去材(高Mg) 改良材(低Mg-高Zn) 开发材(去Mg-高Mn)牺牲材/% Al-0.75Mg -4.0Zn-Ti 15 Al-0.6Mn-0.5Si-低Mg-HiZn-Ti 15 Al-HiMn-0.6Si-(去 Mg)－HiZn15材料结构 芯材/% Al-1.3Mn-0.6Si-0.7Cu-0.75Fe 75 Al-1.3Mn-0.6Si-0.7Cu-0.75Fe 75 Al-HiMn-0.8Si-HiCu-0.3Fe 75焊材/% 4343 10 4343 10 4045+1Zn 10料厚/mm 0.20 0.20 0.18开始使用 2004年左右 2005年左右 2012年

为了抑制腐蚀，在牺牲层添加Zn，达到牺牲阳极效果。由于添加到牺牲材的Zn向芯材扩散、因而从牺牲材向芯材形成了好的电位分布，而腐蚀是向电位差的方向发展，故腐蚀趋势呈横向发展，进而抑制了纵向的孔腐蚀，甚至全面腐蚀。对此我们又进行了实验，将料厚0.20 mm的管料（合金成份为7072/3003/4343）浸渍在配置的腐蚀试验液（成份见表4）中，其结果如图7所示，表明：随着Zn添加量的增加，电位越来越下降，同一电位差，距离牺牲材表面的深度越来越大。因此，随着材料的减薄，牺牲材添加Zn增强材料的耐腐蚀性。

 

表3 管料的腐蚀环境

  

热交换器名称 内部 外部水箱 冷却水＋LLC 盐水（高Cl-离子环境）、碱性环境、NOX、SOX加热器 冷却水＋LLC 干燥状态冷凝器 － 盐水（高Cl-离子环境←融雪剂）、碱性环境、NOX、SOX蒸发器 － 凝集水（低Cl-离子环境）油冷器 － 冷却水＋LLC盐水（高Cl-离子环境←融雪剂）

用铝材作为热交换器的主要材料，其最大的难点在于耐腐蚀性差，对于水管尤是如此。内部热交换器中冷却介质水对铝合金有腐蚀作用，长时间工作容易产生点蚀；同时水管外部也受到其他腐蚀介质的侵蚀。主要腐蚀介质详见表3管料的腐蚀环境。

 

表4 腐蚀试验液的组成 ×10-6

  

成份 Cl- SO42- HCO3- Cu2+ Fe3+ pH值腐蚀试液 195 60 － 1 30 3

  

图7 牺牲材的Zn添加量与腐蚀性的关系

3 结语

汽车热交换器材料与制造技术的迅速发展，材料的轻量化越来越符合汽车领域的需求，尤其是对于新能源汽车领域更是如此。而对于热交换器管料的轻量化，我们添加高Mn、高Si和少量Cu，增强其强度；Zn的添加，达到牺牲阳极效果，提高耐腐蚀性；同时添加Cr，形成巨大化合物，热传导率下降，提高钎焊性能。

参考文献：

[1]张敏.汽车散热器的设计及其发展[J].天津汽车，2002（3）：1920.

[2]罗春辉，甘卫平，肖亚庆.铝质汽车散热器及其材料[J].铝合金加工技术，1996（4）：3-10.

[3]肖永清，杨忠敏.汽车的发展与未来[M].北京：化学工业出版社，2003.

[4]黄晖，马翠英，李国祥.汽车散热器材料及其制造新技术[J].客车技术与研究，2008（4）:45-49.