某车用散热器扁管失效分析及强化方案研究
【摘要】随着车用散热器轻量化和紧凑性要求越来越高，这就要求散热器不仅要有良好的散热性能，对散热器的寿命也有了更高的要求。本文就某车用散热器扁管泄漏分析失效原因，并通过主板加筋方案1以及主板加筋和扁管孔冲孔刺破方案2进行仿真分析和试验验证。通过试验得出加筋强化主板可以一定程度提高产品寿命，加筋加扁管孔冲孔刺破强化方案可以大幅提高产品寿命。
【关键词】散热器；扁管；泄漏；加筋 ；冲孔刺破
1 前言
汽车发动机冷却系统主要由汽车散热器、风扇、冷却水套、水泵和节温器组成,发动机冷却系统主要作用为发动机及相关功能部件提供一个合适的运行温度，以保证发动机系统的正常运转。散热器是汽车发动机冷却系统中最重要的部件之一，它对内燃机的动力性、经济性、可靠性有重大影响，汽车和发动机的高度紧化设计与汽车轻量化设计对散热器的体积和质量提出严格限制，这不仅要求汽车散热器结构有更好的散热性能，对散热器的结构强度、结构寿命也提出更高的要求。
2 散热器故障信息及分析
该款散热器在路试过程中发现泄漏，路试完成90%，散热器扁管总计57根，经检漏为进水侧从上往下数第55根扁管发生泄漏。
2.1 散热器扁管焊缝处宏观形貌分析
在扁管三角区折弯处发现裂纹如图1所示。
图1 泄漏扁管进水侧形貌图
2.2散热器扁管金相分析
经金相分析进水侧泄漏处第55根扁管三角区折弯处发生断裂，而进水侧第54根扁管三角区折弯处发现裂纹，裂纹由内向外扩展。根据第54、55根扁管金相，扁管组织较均匀，未发现裂纹起始位置扁管存在材料缺陷，扁管折弯三角区处过渡圆滑。第55根扁管钎焊焊缝发现微小孔洞，孔洞未贯穿，属于正常钎焊气孔，未发现明显焊接缺陷。第55根裂纹贯穿，发生泄漏，第54根扁管裂纹未贯穿。这说明在泄漏位置处附近的扁管三角区也存在未贯穿的裂纹现象。
(a)主板中间位置 (b)主板快消失位置 (c) 纯扁管位置
图2 第55根扁管金相图
(a)主板中间位置 (b)主板快消失位置 (c)根纯扁管位置
图3 第54根扁管金相图
2.3微观形貌观察
取第53根扁管进行观察，将焊缝沿着三角区的位置打开裂纹，打开后分别定为A、B两部分，其中a为A部分裂纹整体形貌，b为B部分裂纹整体形貌，对A部分观察L、R侧对应的裂纹形貌，L侧裂纹形貌如4图c、d、e、f所示，从图中可以看出R侧裂纹起始于折弯R位置，裂纹源存在多个起始位置，不同起始位置之间存在一次台阶，在裂纹面上存在收敛于源区的多条平行疲劳裂纹。A部分L侧裂纹形貌如图4g、h所示，从图中可以看出L侧裂纹形貌与R侧裂纹形貌类似，裂纹面积小于R侧裂纹面积。
(a) (b)发动机散热器
(c) (d)
(e) (f)
图4 扁管裂纹微观形貌图
2.4 失效原因分析
结合扁管裂纹面宏观和微观形貌观察，可以看出裂纹起始于扁管三角区折弯R处，裂纹由扁管水侧向管壁内侧扩展，裂纹源为线源或者多源，裂纹起始位置存在一次台阶，裂纹扩展区存在多条平行疲劳裂纹，裂纹性质为疲劳断裂，内应力是其扁管开裂泄漏的主要原因。
3.强化方案及试验验证
影响扁管应力的实验项目主要有三个，振动、脉冲压力和冷热循环试验。首先进行振动试验测试。
3.1振动试验验证
按整车固定方式将冷却模块固定到工装上，散热器充满防冻液，风扇运行，然后按整车路谱分别进行X、Y、Z三个方向振动，具体如下： X方向：路谱30小时 ，Y方向：路谱30小时，Z方向：路谱45小时，振动完成2轮后散热器未发生泄漏。振动试验样件进行金相分析，未发现裂纹，振动应力不是引起扁管三角区开裂的主要原因。
图5振动试验扁管金相
3.2强化方案及分析
结合扁管泄漏位置及裂纹方向，分析主板强度不足，结合以往散热器主板经验，现有方案扁管孔中间没有加筋强化，主板强度低，再加上主板扁管空采用落料方式，扁管孔最大焊接有效长度为料厚1.5mm, 导致扁管三角区附近对扁管的保护不足，受到应力影响时变形较大，如图6a所示。主板强化方案1，在两个扁管孔中间加筋，如图6b所示，方案2是在改变扁管孔的成型方式，由落料冲孔改为刺破冲孔，增大扁管孔焊接长度，使得三角区焊缝有效长度在2.5mm以上，扁管孔中间并加筋强化，如图6c所示。