Введение в общие технологии сварки в отрасли теплового управления

Сварочные технологии в индустрии терморегулирования (например, для радиаторов, теплообменников, корпусов силовых устройств, жидкостных охладителей) являются критически важными производственными процессами, обеспечивающими герметичность, теплопроводность и прочность изделий. Следующее введение сочетает в себе отраслевые применения и последние тенденции.

Системы терморегулирования (например, пластины охлаждения аккумуляторов, теплообменники, электронные радиаторы) обычно включают в себя соединение легких материалов с высокой теплопроводностью, таких как алюминиевые сплавы и медь. Сварочные технологии в этой области в основном используются для:

• Требования к герметичности: Например, сварка жидкостных охладителей для аккумуляторных батарей должна предотвращать утечки. Для достижения высокоточной герметизации часто используется лазерная сварка или сварка TIG.
• Тепловые характеристики: Сварные соединения должны поддерживать тепловую непрерывность материалов, избегая увеличения термического сопротивления из-за дефектов, таких как поры или шлаковые включения.
• Легкие конструкции: Методы сварки в твердой фазе, такие как сварка трением с перемешиванием, минимизируют искажения в зоне термического влияния и подходят для компонентов из алюминиевого сплава.

Пайка является наиболее широко используемой и фундаментальной сварочной технологией в терморегулировании, подходящей для проводящих материалов, таких как алюминий и медь.

Принцип: Используется присадочный металл (паяльный материал, например, сплав алюминий-кремний, сплав медь-фосфор) с температурой плавления ниже, чем у основного металла. Сборка нагревается до тех пор, пока присадочный металл не расплавится, не потечет по капиллярам в зазор соединения и не диффундирует с основным металлом, образуя связь.

Общие типы:

• Вакуумная пайка: Проводится в вакуумной печи. Она не содержит окисления и флюса, что позволяет получать чистые, коррозионностойкие соединения. Это предпочтительный метод для производства высококачественных алюминиевых радиаторов, холодных пластин и теплообменников со сложными каналами.
• Атмосферная пайка: Выполняется в инертной атмосфере, такой как азот, что обеспечивает более низкую стоимость, чем вакуумная пайка.
• Пламенная пайка / Индукционная пайка: Подходит для локальной сварки или простых компонентов.

Преимущества: Способность сваривать сложные конструкции и большие площади; хорошая герметизация; подходит для массового производства.

Недостатки: Высокие требования к зазорам между деталями; требуются специальные приспособления; значительные инвестиции в оборудование вакуумной печи.

Типичные области применения: Радиаторы CPU/GPU, жидкостные охладители, пластины охлаждения аккумуляторов, теплообменники с параллельным потоком.

Технология соединения в твердой фазе, особенно подходящая для алюминиевых сплавов, быстро развивающаяся в области терморегулирования.

Принцип: Неплавящийся вращающийся инструмент (штифт) погружается в стыкующиеся кромки заготовок. Тепло трения размягчает материал, не расплавляя его, и материал пластифицируется и соединяется под давлением ковки и перемешивающим действием инструмента.

Преимущества:

• Высокая прочность соединения: Может достигать 70%-90% и более прочности основного металла.
• Низкие термические искажения: Низкотемпературный процесс минимизирует искажения.
• Отсутствие пористости/трещин: Сварка в твердой фазе позволяет избежать дефектов, характерных для сварки плавлением.
• Экологичность: Отсутствие дыма, дугового света и брызг.

Недостатки: Относительно низкая скорость сварки; заготовки требуют жесткого крепления; износ инструмента.

Типичные области применения: Большие алюминиевые жидкостные охладители, подложки теплораспределителей, корпуса, прикрепление тепловых трубок к основаниям, сварка аккумуляторных отсеков и корпусов.

Сокращенно TIG или GTAW, это процесс дуговой сварки неплавящимся электродом в среде инертного газа.

Принцип: Используется тугоплавкий вольфрамовый электрод для создания дуги, экранированной инертным газом (обычно аргоном), расплавляя основной металл и присадочную проволоку (если используется) для формирования высококачественного сварного шва.

Преимущества: Высокая прочность сварного шва, относительно небольшие инвестиции в оборудование, отсутствие брызг, эстетичный внешний вид, применимость к широкому спектру материалов.

Недостатки: Значительные искажения.

Типичные области применения: Пластинчато-ребристые радиаторы, корпуса для мощных модулей охлаждения.

4. Лазерная сварка

Технология сварки с высокой плотностью энергии, широко используемая в прецизионных компонентах терморегулирования.

Принцип: Использует лазерный луч с высокой плотностью энергии в качестве источника тепла для локального расплавления основного металла, образуя сварной шов. Его можно разделить на сварку в режиме проводимости (мелкое плавление) и сварку с образованием ключевой скважины (образование парового капилляра).

Преимущества:

• Сконцентрированная энергия, малая ЗТВ: Минимальные искажения, подходит для прецизионной сварки.
• Бесконтактная, высокая автоматизация: Высокая скорость, легко интегрируется в автоматизированные производственные линии.
• Свариваемые тугоплавкие материалы: Такие как медь, алюминий (материалы с высокой отражательной способностью, требующие определенных длин волн/технологий).

Недостатки: Дорогое оборудование; чрезвычайно высокие требования к точности подгонки заготовок; сложно для материалов с высокой отражательной способностью, таких как чистая медь.

Типичные области применения: Медно-алюминиевые композитные ребра, герметизация тепловых трубок, упаковка подложки IGBT с водяным охлаждением (DBC/AMB), герметизация крышки микроканального радиатора.

5. Вакуумная диффузионная сварка

Прецизионная технология соединения в твердой фазе, достигаемая в условиях высокого вакуума, используемая для производства высокопроизводительных, высоконадежных компонентов терморегулирования.

Принцип: Под воздействием высокой температуры и давления атомы на контактных поверхностях взаимодиффундируют, достигая монолитной связи. Часто требуется промежуточный материал.

Преимущества:

• Отличные свойства соединения: Состав и структура, близкие к основному металлу; отсутствие хрупких фаз; высокая теплопроводность и прочность.
• Соединение разнородных материалов: Такие как медь-алюминий, медь-керамика (например, нитрид алюминия).
• Чрезвычайно низкие искажения, высокая точность размеров.

Недостатки: Длительное время цикла, чрезвычайно высокая стоимость, строгие требования к качеству поверхности.

Типичные области применения: Компактные теплообменники авиационного класса, упаковка керамическая подложка-металл, производство высокопроизводительных паровых камер (VC).

6. Пайка (мягкая пайка)

В основном используется для низкотемпературных соединений, распространена в электронном охлаждении и упаковке.

Принцип: Использует припои с низкой температурой плавления (например, сплавы на основе олова, на основе индия), нагреваемые с помощью паяльников, печей оплавления и т. д., для формирования соединения.

Преимущества: Низкая температура, щадящая для чувствительных к нагреву компонентов, простой процесс.

Недостатки: Относительно низкая прочность соединения, термостойкость и долгосрочная надежность.

Типичные области применения: Прикрепление ребер к основаниям (замена термоклеев), соединение небольших тепловых трубок с медными основаниями, установка некоторых силовых устройств.

7. Ультразвуковая сварка металлов

Технология сварки в твердой фазе, использующая высокочастотную вибрационную энергию для соединения.

Принцип: Высокочастотные вибрации, генерируемые ультразвуковым преобразователем, под давлением вызывают пластическую деформацию и трение на контактных поверхностях, разрушая оксидные пленки и обеспечивая атомную связь.

Преимущества: Не требуется внешний нагрев, особенно подходит для материалов с высокой проводимостью (медь, алюминий) и соединения разнородных материалов; энергоэффективность, быстрота.

Недостатки: Обычно подходит для сварки тонких листов, проводов и точек; не подходит для толстых секций или сложных конструкций.

Типичные области применения: Соединение тепловых трубок с ребрами (замена методов механической подгонки, таких как ребра-молнии или складчатые ребра), сварка теплораспределителей для литиевых батарей, переходные соединения медь-алюминий.

3. Тенденции развития сварочных технологий в индустрии терморегулирования

Гибридные процессы: Такие как гибридные технологии «лазер + сварка трением с перемешиванием», сочетающие преимущества обоих.

Ориентация на высокую мощность: Разработка сварочных технологий с более низким тепловым сопротивлением и более высокой надежностью (например, низкотемпературное спекание серебра) для полупроводниковых приборов с широкой запрещенной зоной, таких как SiC и GaN.

Интеллектуализация и онлайн-мониторинг: Интеграция машинного зрения и управления процессом для повышения стабильности и качества сварки.

Инновации в материалах: Разработка новых паяльных сплавов и промежуточных материалов для улучшения свариваемости разнородных материалов.

Выбор сварочной технологии требует всестороннего рассмотрения сочетаний материалов, структуры изделия, требований к производительности (теплопроводность, прочность, герметичность), объема производства и стоимости. В настоящее время пайка, сварка трением с перемешиванием и лазерная сварка являются тремя основными технологиями, широко применяемыми в индустрии терморегулирования.