熱壓機(jī)在液冷板生產(chǎn)中的應(yīng)用

羅 錫，王 戎，王 婷，王 朝

(航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

隨著電子系統(tǒng)綜合化程度的不斷提高，計(jì)算機(jī)的高集成芯片使用大幅增加，芯片在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱，常規(guī)風(fēng)冷散熱已不能滿足產(chǎn)品熱交換需求，散熱不暢將導(dǎo)致出現(xiàn)死機(jī)或運(yùn)轉(zhuǎn)不正常等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響整機(jī)的工作效率和可靠性。采用液體冷卻方式來解決高集成計(jì)算機(jī)熱交換問題已成為共識(shí)，液體冷卻散熱方式在使用過程中是否安全可靠，是確保整機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。筆者通過熱壓機(jī)在液冷板生產(chǎn)中的運(yùn)用，解決了液冷板的液冷腔體壁厚問題，增強(qiáng)了液冷板使用的可靠性。

1 產(chǎn)品需求

液冷模塊和側(cè)壁液冷組件均屬于耐壓零件，設(shè)計(jì)耐壓指標(biāo)2.5 MPa，該類零件必須滿足設(shè)計(jì)壁厚要求、耐壓要求等重要指標(biāo)，才能保證液冷部件工作中不泄露，才能保證計(jì)算機(jī)的安全可靠運(yùn)行。設(shè)計(jì)指標(biāo)為液冷模塊銑削成形后要求壁厚為0.7～0.8 mm，如圖1所示，側(cè)壁液冷組件精銑成形后要求壁厚為1.5～1.6 mm，如圖1所示。

圖1 液冷通道示意圖 圖2 側(cè)壁液冷組件

液冷組件工藝為真空釬焊而成，焊接后液冷組件尺寸為240 mm×165 mm×22 mm，側(cè)壁液冷組件最大尺寸為728 mm×250 mm×28 m，焊后液冷組件變形量為0.3～0.7 mm。為了保證液冷壁厚尺寸均勻一致，必須保證液冷組件的平面度在0.1 mm以內(nèi)，才能通過數(shù)控銑削保證銑削后液冷模塊組件的腔體壁厚偏差小于0.1 mm的要求。由于液冷組件焊接后厚度達(dá)到20～28 mm，很難通過手工將其校平，如不進(jìn)行校平進(jìn)行后續(xù)成形加工，首先壁厚無法保證，變形組件加工成形后壁厚差異如圖3所示，其次耐壓能力會(huì)下降30%～50%，給后續(xù)使用帶來安全隱患。

圖3 液冷模塊壁厚差異圖

2 分析及解決方案

2.1 材料性能分析

液冷板在強(qiáng)度和耐腐蝕性等方面綜合考慮，材料選用6061鋁合金。6061-T6鋁合金在不同溫度的典型抗拉性能[1]見表1,從表中可以看出，溫度越高，屈服強(qiáng)度越小。

表1 6061-t6合金在不同溫度的典型抗拉性能

2.2 工藝設(shè)計(jì)

現(xiàn)有熱壓校平設(shè)備型號(hào)：YT-100RS,設(shè)備相關(guān)性能有最大工作壓力24 MPa，加熱系統(tǒng)為油溫機(jī)，最高工作溫度：350 ℃，工作臺(tái)有效面積650 mm×650 mm,設(shè)備如圖4所示。

圖4 熱壓校平設(shè)備

液冷板在熱壓機(jī)上的校平工藝曲線，需在設(shè)備能力的基礎(chǔ)上，參照材料的屈服強(qiáng)度，進(jìn)行液冷板的校平工藝設(shè)計(jì)。基于設(shè)備的能力和狀態(tài)，考慮設(shè)備使用的安全性和連續(xù)性，選取設(shè)備額度能力的80%為長(zhǎng)期工作輸出能力，熱壓校平工作溫度確定280 ℃。壓力選取參照表1，在280 ℃的工作溫度下，工作壓力必須小于19 MPa，同時(shí)根據(jù)流道尺寸，考慮局部可承受的最大壓力，局部在最大壓力下產(chǎn)生屈服變形，確定熱壓校平工作壓力為11 MPa。

熱壓校平時(shí)間參照鋁及鋁合金手冊(cè)[2]，6061鋁合金在25℃熱導(dǎo)率為180 W/m·K,比熱容(C)為896 J/(kg·℃)，按照熱量計(jì)算公式Q=m(T2-T1)，(Q為吸收(或放出)的熱量，m為物體的質(zhì)量，C為比熱容，T2-T1為溫度變化量)，根據(jù)液冷板情況，充分考慮液冷板溫度均勻一致，確定熱壓校平時(shí)間為60 min，開始時(shí)間以油溫機(jī)油液溫度達(dá)到280 ℃時(shí)計(jì)時(shí)。

2.3 應(yīng)用驗(yàn)證

首先啟動(dòng)熱壓校平設(shè)備的油溫機(jī)，設(shè)定油溫機(jī)工作溫度280 ℃，開啟導(dǎo)熱油升溫程序，等待導(dǎo)熱油溫度到達(dá)設(shè)定溫度[4]。

同時(shí)設(shè)定熱壓校平設(shè)備主機(jī)熱壓程序，程序設(shè)定按照兩段設(shè)置，首先依據(jù)模塊厚度，設(shè)定熱壓機(jī)上模下降限位位置，避免因位置不合理導(dǎo)致對(duì)液冷板造成破壞性壓傷和液壓缸的損壞，并且按0.1 mm的步進(jìn)補(bǔ)償進(jìn)行后續(xù)的校平下壓。其次設(shè)定熱壓的壓力為110 kg,超壓/補(bǔ)壓按2 kg的偏差進(jìn)行補(bǔ)償，保溫時(shí)間60 min。

采用上述工藝曲線設(shè)置，分別對(duì)1液冷塊液冷板、同時(shí)4塊液冷板、同時(shí)6塊液冷板進(jìn)行了熱壓校平處理，驗(yàn)證該工藝曲線設(shè)置和熱壓校平效果。

2.4 測(cè)試結(jié)果

通過采用三坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備對(duì)熱壓校平后的液冷板進(jìn)行面度檢測(cè)，單獨(dú)1塊的液冷板校平后平面度分別為0.028 7 mm(正面)、0.087 3 mm(背面)，同時(shí)熱壓校平4塊的液冷板校平后平面度分別為：1號(hào)(0.067 2 mm(正面)、0.0789 mm(背面))、2號(hào)(0.051 3 mm(正面)、0.073 4 mm(背面))、3號(hào)(0.047 5 mm(正面)、0.099 9 mm(背面))、4號(hào)(0.1 mm(正面)、0.097 3 mm(背面))，所有液冷板熱壓校平后平面度均在0.1以內(nèi)。

對(duì)同時(shí)熱壓校平6塊的液冷板校平后平面度進(jìn)行測(cè)量，存在1塊平面度為0.125 3 mm，超過平面度0.1 mm的工藝要求。

2.5 熱壓校平對(duì)模塊的影響[3]

經(jīng)熱壓校平的液冷板，平面度合格率從原來的68%提升至98%，后續(xù)數(shù)控加工直接進(jìn)行銑削，按照要求壁厚進(jìn)行加工，經(jīng)對(duì)加工后模塊壁厚進(jìn)行測(cè)量，均在0.7～0.8 mm的公差帶范圍之內(nèi)，液冷板的熱壓校平處理為壁厚的保證提高了很好的基礎(chǔ)。

熱壓校平處理是在加熱的基礎(chǔ)上，對(duì)液冷板進(jìn)行加壓壓平處理，在處理的過程中，由于液冷板處于熱狀態(tài)，其在前工序焊接導(dǎo)致的應(yīng)力，在熱壓狀態(tài)下得到一定的釋放，使焊接變形導(dǎo)致的拉應(yīng)力在熱壓下變成壓應(yīng)力，為液冷板在允許應(yīng)力下使用提供了保證。另外由于液冷板在壓力下受一定的擠壓力，在校平變形的同時(shí)，對(duì)蓋板與框體間的焊縫也進(jìn)行了有效的擠壓，對(duì)真空釬焊焊縫微觀可能存在的一些氣孔和疏松組織具有一定的改良作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

熱壓校平是液冷板真空釬焊后變形校正、平面度保證和應(yīng)力調(diào)整一個(gè)很有效的手段，可有效將液冷板焊接變形校正至0.1 mm以內(nèi)，同時(shí)可將焊接導(dǎo)致的拉應(yīng)力通過熱校平改變?yōu)閴簯?yīng)力，提高焊縫的可靠性。

熱壓校平的工藝參數(shù)包括校平溫度、校平時(shí)間等應(yīng)根據(jù)設(shè)備狀況、液冷板材料、液冷板結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)行合理的熱壓校平工藝參數(shù)設(shè)計(jì)。

熱壓校平實(shí)際操作過程中，校平數(shù)量合理應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)狀況進(jìn)行合理安排，避免因零件初始狀況差異大和校平數(shù)量過多，導(dǎo)致熱壓校平后平面度無法達(dá)到預(yù)期要求。