某型散熱器泄漏問題分析及改進(jìn)

韓建偉，魏立新，安武潤(rùn)，藺紅寶，齊 靜

某型散熱器泄漏問題分析及改進(jìn)

韓建偉，魏立新，安武潤(rùn)，藺紅寶，齊 靜

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

某型產(chǎn)品在嚴(yán)寒地區(qū)開展適應(yīng)性試驗(yàn)，其配套的散熱器散熱管根部出現(xiàn)開裂，導(dǎo)致散熱器出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的使用。文章通過對(duì)散熱器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、防凍液加注過程及斷口進(jìn)行分析驗(yàn)證，確認(rèn)因防凍液加注方法存在缺陷，導(dǎo)致散熱器內(nèi)部空氣未排除干凈，在低溫下散熱器左右區(qū)域熱不平衡，散熱管發(fā)生疲勞開裂。因此，采取了完善散熱器防凍液加注方法、明確加注量的整改措施對(duì)問題進(jìn)行整改，進(jìn)而對(duì)整改后的車輛進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，解決了散熱器泄漏問題，提高了產(chǎn)品的可靠性，對(duì)類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)具有借鑒意義。

散熱器；泄露問題；散熱管開裂；疲勞斷裂；防凍液

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)的水套內(nèi)冷卻液所攜帶的多余熱量經(jīng)過熱交換，在外界強(qiáng)制氣流作用下把高溫零件所吸收的熱量散發(fā)（傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射）到空氣中的熱交換裝置，繼而通過溫度調(diào)節(jié)，保持發(fā)動(dòng)機(jī)適宜的工作溫度。目前，汽車散熱器正朝著輕型、高效、經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展，全鋁散熱器以質(zhì)量輕、熱傳導(dǎo)效率高等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系中[1]。散熱器的芯體是散熱器的核心部位，也是散熱功能的主要作用部位，芯體質(zhì)量直接影響散熱器的散熱效果，產(chǎn)品試驗(yàn)過程中芯體（散熱管與主片結(jié)合處）開裂，散熱器出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)展，本文針對(duì)散熱器泄漏問題進(jìn)行分析研究，找到散熱器泄漏的原因，并通過完善防凍液加注方法，解決了散熱器泄漏問題。

1 問題描述

某型產(chǎn)品在嚴(yán)寒地區(qū)開展適應(yīng)性試驗(yàn)，期間底盤冷卻系統(tǒng)散熱器總成出現(xiàn)泄漏防凍液現(xiàn)象，更換散熱器總成后繼續(xù)試驗(yàn)，行駛約500 km時(shí)，散熱器總成再次出現(xiàn)泄漏防凍液現(xiàn)象。

2 原因分析

2.1 失效件檢測(cè)

將散熱器失效件浸入水池查找泄漏位置，如圖1所示。按《汽車散熱器》（QC/T 468）要求，向浸入水池的散熱器總成通入150 kPa的壓縮空氣，并保壓60 s。泄漏點(diǎn)位于散熱器總成左下方，在散熱管與下水室主片連接的根部位置出現(xiàn)開裂，其余部位均無泄漏。

圖1 散熱管根部開裂

2.2 故障定位

2.2.1設(shè)計(jì)問題排查

散熱器與外部支架通過10個(gè)橡膠減振塊連接，用于緩沖行車時(shí)路面的沖擊及振動(dòng)。減振塊為復(fù)合橡膠，主要成分為天然橡膠、丁苯、丁腈，其適用環(huán)境溫度范圍為-45～88 ℃，該結(jié)構(gòu)在行業(yè)內(nèi)散熱器總成上廣泛應(yīng)用，滿足使用要求。

2.2.2散熱管與主片連接方式排查

散熱器的散熱管與主片均采用釬焊工藝連接，通過加熱散熱管、散熱帶與主片的分裝整體到合適的溫度（高于釬料熔點(diǎn)溫度，低于鋁材熔點(diǎn)溫度），利用液態(tài)釬料在鋁材表面的潤(rùn)濕和毛細(xì)作用填入釬縫接頭，保溫一段時(shí)間后送入風(fēng)冷室冷卻至常溫，最后形成同種或異種材料之間的焊接。本散熱器釬焊所用釬料熔點(diǎn)為620 ℃，釬焊爐溫度設(shè)置為630 ℃，散熱管所用鋁材熔點(diǎn)為650 ℃，釬料熔化時(shí)的溫度對(duì)散熱管鋁材本體的組織性能影響非常小，散熱管不會(huì)因?yàn)殁F焊產(chǎn)生缺陷，該結(jié)構(gòu)及焊接工藝普遍使用于行業(yè)內(nèi)的鋁制散熱器[2]。

2.2.3散熱管材料排查

散熱管通過防凍液使防凍液與空氣之間進(jìn)行熱交換，以達(dá)到對(duì)防凍液的散熱降溫作用。散熱管材料為鋁合金復(fù)合層材料4343（外層）/3003（中間層）/7072（內(nèi)層），此種材料在-35 ℃的斷后伸長(zhǎng)率為2%，熱膨脹系數(shù)為23.2×10-6。散熱管長(zhǎng)度為850 mm，在溫差150 ℃的情況下，變形量為2.958 mm，變形比為3.48‰，遠(yuǎn)小于2%。該鋁合金復(fù)合層材料廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外各種車輛散熱器散熱管，已經(jīng)過市場(chǎng)驗(yàn)證，滿足使用要求[3-4]。

散熱器散熱管材質(zhì)為鋁合金（厚度為0.35 mm），對(duì)故障件散熱器（切割散熱管）的厚度進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)果值（0.35 mm）符合圖紙要求，同時(shí)對(duì)散熱管進(jìn)行性能檢測(cè)，符合要求，室溫鋁拉伸試驗(yàn)、-35 ℃鋁拉伸試驗(yàn)結(jié)果，如表1、表2所示。

表1 室溫鋁拉伸試驗(yàn)

試樣編號(hào)尺寸RP0.2/MPa抗拉強(qiáng)度RM/MPa斷后伸長(zhǎng)率A/% 寬度/mm厚度/mm 110.000.35128.32153.225.0 210.000.35129.45155.343.0 310.000.35130.65157.173.2 410.000.35127.33149.762.8

表2 -35 ℃鋁拉伸試驗(yàn)

試樣編號(hào)尺寸RP0.2/MPa抗拉強(qiáng)度RM/MPa斷后伸長(zhǎng)率A/% 寬度/mm厚度/mm 110.000.35132.35167.052.6 210.000.35131.23161.212.0 310.000.35133.15168.492.6 410.000.35134.27171.162.6

2.2.4使用問題排查

車輛進(jìn)入寒區(qū)前要更換防凍液，從發(fā)動(dòng)機(jī)前方進(jìn)水鋼管放水堵、散熱器排水閥及液體燃油加熱器底部放水堵共3個(gè)地方排出原防凍液，排干凈后直接加注防凍液，加注后原地著車并補(bǔ)充防凍液，待防凍液水位不再下降后停止加注，共加注量約為56 L，到牙克石市開始試驗(yàn)后，又補(bǔ)加了8 L防凍液，通過對(duì)防凍液更換過程進(jìn)行梳理，發(fā)現(xiàn)存在以下兩點(diǎn)問題：1）在更換防凍液的過程中，沒有對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行沖洗，存在混合使用防凍液的情況；2）存在保養(yǎng)時(shí)防凍液加注量不夠、冷卻系統(tǒng)內(nèi)部氣體未排凈的情況，然后分析以上兩點(diǎn)問題是否會(huì)對(duì)散熱器總成的可靠性造成影響。

1.防凍液混用問題排查

防凍液執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)為《機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)防凍液》（GB 29743），該標(biāo)準(zhǔn)僅對(duì)防凍液的各項(xiàng)性能有要求，未規(guī)定滿足該性能所需要添加的化學(xué)成分。不同制造商采取的技術(shù)路線不同，添加的化學(xué)成分及比例會(huì)不同。因此，不同制造商的防凍液混合添加后會(huì)造成的后果未知，可以肯定的是混合后的防凍液中緩蝕劑含量會(huì)發(fā)生變化，為檢查混合后的防凍液是否對(duì)散熱管造成腐蝕，剖解檢查失效位置處的散熱管，檢查結(jié)果顯示，散熱管內(nèi)部保護(hù)膜完整，無腐蝕痕跡[5-6]。

2.冷卻系統(tǒng)內(nèi)部氣體未排凈問題排查

更換防凍液后車輛運(yùn)行時(shí)間短，防凍液溫度未達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器開啟溫度，即（76±2）℃以上，發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器未打開，且防凍液未充分循環(huán)，故存在冷卻系統(tǒng)內(nèi)部氣體未排凈的情況。為了解冷卻系統(tǒng)內(nèi)部氣體未排凈情況下，散熱器總成內(nèi)部防凍液流場(chǎng)分布情況。在車輛散熱器上部位傳感器進(jìn)行測(cè)量。在散熱管距上水室及下水室主板20～30 mm處布置8個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，經(jīng)分析散熱器芯子的左部往右數(shù)第10根、第35根、第70根、第120根散熱管的上下位置各4個(gè)點(diǎn)，其散熱管下部測(cè)溫點(diǎn)數(shù)據(jù)為經(jīng)風(fēng)扇冷卻后的溫度，以此數(shù)據(jù)判斷內(nèi)部流場(chǎng)準(zhǔn)確性較差，故通過散熱管的上部溫度判斷內(nèi)部流場(chǎng)，如圖2中、、、四個(gè)位置所示。通過對(duì)冷卻系統(tǒng)正常液位及缺5 L、8 L防凍液時(shí)散熱器內(nèi)部流場(chǎng)的測(cè)量，相關(guān)數(shù)據(jù)如圖3—圖5所示。冷卻系統(tǒng)內(nèi)氣體未排凈情況下，散熱器總成左側(cè)與右側(cè)存在較大的溫度差，且隨著防凍液缺少量的增大，左側(cè)與右側(cè)溫度差會(huì)增大，右側(cè)散熱管溫度與環(huán)境溫度有趨于一致的情況，其原因?yàn)橛覀?cè)散熱管內(nèi)防凍液通過流量極少或無防凍液通過。

圖2 測(cè)溫點(diǎn)布置位置

圖3 標(biāo)準(zhǔn)液位溫度測(cè)量值

圖4 缺5 L防凍液溫度測(cè)量值

圖5 缺8 L防凍液溫度測(cè)量值

3 故障原因

經(jīng)過對(duì)冷卻系統(tǒng)氣體未排凈情況下，散熱器總成的溫度測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，冷卻系統(tǒng)缺液且發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器開度較小時(shí)，散熱器總成左部區(qū)域與右部區(qū)域溫度值相差巨大，同時(shí)存在右側(cè)區(qū)域溫度趨于環(huán)境溫度的情況。

當(dāng)節(jié)溫器開啟時(shí)左部區(qū)域溫度升高，引發(fā)散熱管受熱膨脹，隨著節(jié)溫器開啟后，散熱器內(nèi)低溫防凍液被發(fā)動(dòng)機(jī)水泵抽回發(fā)動(dòng)機(jī)（發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)防凍液溫度降低），隨后節(jié)溫器關(guān)閉，左部散熱管內(nèi)防凍液因外部冷卻風(fēng)扇吸風(fēng)換熱，溫度很快下降至接近環(huán)境溫度，此時(shí)，左部散熱管受冷收縮，因此，散熱管內(nèi)高溫與低溫的差值越大，散熱管受冷熱交變的變形量會(huì)越大。

右部區(qū)域散熱管因通過的防凍液流量極小或無防凍液通過，溫度趨近于環(huán)境溫度，故變形量較小。該情況下，上水室因右側(cè)散熱管的約束造成上水室不能整體隨散熱管形變而產(chǎn)生較小的上下位移，車輛在寒區(qū)行車過程中，這一現(xiàn)象持續(xù)進(jìn)行，最終導(dǎo)致散熱器總成左部散熱管因溫度交變產(chǎn)生疲勞斷裂，造成散熱器總成左下部泄漏。

將散熱管開裂處打開，清洗干凈后置于體式顯微鏡下觀察，開裂處無明顯的宏觀塑性變形，斷面干凈且可看到清晰的疲勞擴(kuò)展紋，擴(kuò)展方向由外向內(nèi)，同時(shí)將其置于掃描電鏡下觀察，散熱管開裂處微觀形貌如圖6所示，開裂處可見明顯的疲勞擴(kuò)展輝紋，擴(kuò)展方向由外向內(nèi)，與宏觀下觀察情況一致[7]。

圖6 開裂面微觀形貌150X

4 整改措施及驗(yàn)證

完善防凍液加注方法，杜絕再次出現(xiàn)冷卻系統(tǒng)氣體未排凈的情況，具體整改措施如下：1）平穩(wěn)加注符合要求的防凍液直至液面達(dá)到最高標(biāo)線處；2）起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min的情況下，繼續(xù)將防凍液加滿直到液面穩(wěn)定；3）在發(fā)動(dòng)機(jī)水溫≥76 ℃狀態(tài)下持續(xù)運(yùn)行30 min以上，期間補(bǔ)充防凍液，使防凍液液位在min與max之間，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，液面無下降即可；4）加注完成后行車20 km后，再次檢查并確認(rèn)防凍液液位在min與max之間，視情況添加或排出防凍液。

使用散熱器配件更換失效的散熱器，按照改進(jìn)后的防凍液加注方法加注防凍液后，在嚴(yán)寒地區(qū)繼續(xù)開展產(chǎn)品性能試驗(yàn)，截至路試試驗(yàn)結(jié)束累計(jì)行駛了約2 000 km，期間多次檢查散熱器，均未出現(xiàn)泄漏防凍液現(xiàn)象，其表明改進(jìn)措施有效。

5 結(jié)論

通過對(duì)散熱器泄漏問題進(jìn)行分析、驗(yàn)證，確定了散熱器泄漏的原因，進(jìn)而完善生產(chǎn)工藝等措施進(jìn)行改進(jìn)，經(jīng)驗(yàn)證措施有效，從而解決了散熱器泄漏問題，提高了車輛質(zhì)量及客戶的滿意度。

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[7] 劉柯軍,邵亮.汽車零部件失效分析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2022.

Analysis and Improvement of the Leakage Problem of a Certain Type of Radiator

HAN Jianwei, WEI Lixin, AN Wurun, LIN Hongbao, QI Jing

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Company Limited, Xi'an 710200, China )

During the adaptability test of a certain type of product in the severe cold area, the root of the radiator heat pipe cracked, which led to the leakage of the radiator and seriously affected the use of the product. In this paper, through the analysis and verification of the design structure, material, antifreeze filling process and fracture of the radiator, it is confirmed that due to the defects in the antifreeze filling method, the internal air of the radiator is not removed clean and the heat is out of balance in the left and right area of the radiator at low temperature,fatigue cracking occurs in the heat pipe. The rectifying measures of perfecting the filling method of radiator antifreeze and defining the filling amount are adopted to rectify the problem, and the test verification of the rectified vehicle is carried out, which solves the problem of radiator leakage nd improves the reliability of the product.It can be used as a reference for the design and production of similar products.

Radiator;Leakage problem;Heat pipe cracked; Fatigue cracking; Antifreeze

U464.138+.2

A

1671-7988(2023)12-67-05

韓建偉（1986－），男，工程師，研究方向?yàn)檐囕v零部件失效分析，E-mail:ysuhanjianwei@163.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.013