液冷產(chǎn)品失效機(jī)理及合格判定標(biāo)準(zhǔn)研究

摘要： 真空釬焊和真空擴(kuò)散焊是液冷產(chǎn)品常用的兩種焊接方式，焊縫通過(guò)超聲波無(wú)損檢測(cè)進(jìn)行檢驗(yàn)。真空釬焊的焊縫質(zhì)量參考標(biāo)準(zhǔn)為QJ2844-I級(jí)，釬著率≥85%，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為通用性要求，針對(duì)液冷產(chǎn)品沒(méi)有詳細(xì)的規(guī)定。真空擴(kuò)散焊因應(yīng)用較少，沒(méi)有可參考的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際生產(chǎn)中按照釬焊標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行?；谝陨锨闆r，文中針對(duì)液冷產(chǎn)品開(kāi)展失效機(jī)理分析及合格判定標(biāo)準(zhǔn)研究。研究表明真空釬焊產(chǎn)品當(dāng)距離流道3 mm以?xún)?nèi)有缺陷，缺陷在經(jīng)歷周期性疲勞試驗(yàn)后，缺陷會(huì)擴(kuò)展；距離流道大于3 mm之外有缺陷，缺陷在經(jīng)歷周期性疲勞試驗(yàn)后，不會(huì)擴(kuò)展。真空擴(kuò)散焊產(chǎn)品若冷板任何一處焊接面存在缺陷則證明該冷板整體焊接質(zhì)量較差，在經(jīng)歷周期性疲勞試驗(yàn)后，會(huì)出現(xiàn)新的缺陷。

關(guān)鍵詞： 釬焊；擴(kuò)散焊；焊縫質(zhì)量；無(wú)損檢測(cè)；缺陷擴(kuò)展

中圖分類(lèi)號(hào)： TG 455

Study on failure mechanism and qualification criteria of liquid cooling products

DU Junli， CAO Haijun， MA Li， YANG Baolin， WANG Weixiong

（Avic Jonhon Optronic Technology CO.，LTD.， Luoyang， 471003 Henan， China）

Abstract： Vacuum brazing and vacuum diffusion welding are two common welding methods for liquid cooling products， and the weld is tested by ultrasonic nondestructive testing. The weld quality reference standard for vacuum brazing is QJ2844-I， and the brazing rate is ≥ 85%. The industry standard is a general requirement， and there is no detailed regulation for liquid-cooled products. Due to the less application of vacuum diffusion welding， there is no industry standard to refer to， and the actual production is carried out according to the brazing standard. Based on the above situation， this paper studies the failure mechanism analysis and qualification criteria for liquid cooling products. The research shows that the vacuum brazing product has defects within 3mm from the flow channel， and the defects will expand after the periodic fatigue test. There are defects beyond 3mm from the flow channel， and the defects will not expand after periodic fatigue test. If there are defects in any welding surface of the cold plate of the vacuum diffusion welding product， it is proved that the overall welding quality of the cold plate is poor， and new defects will appear after the periodic fatigue test.

Key words： brazing; diffusion welding; weld quality; nondestructive testing; defect expansion

0 前言

液冷冷板主要用于電子元器件的散熱，通過(guò)冷卻介質(zhì)在冷板流道內(nèi)部的流動(dòng)從而帶走電子元器件工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量。冷卻介質(zhì)在通入冷板時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的壓力，壓力大小隨著通液流量的不同而產(chǎn)生變化。因此，冷板在通液時(shí)處于持續(xù)受力狀態(tài)。冷板焊縫在循環(huán)應(yīng)力的作用下，在一處或幾處逐漸產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋直至完全開(kāi)裂失效。

真空釬焊和真空擴(kuò)散焊是液冷產(chǎn)品常用的2種焊接方式，真空釬焊焊接過(guò)程中添加釬料，真空擴(kuò)散焊焊接過(guò)程中不添加任何釬料，對(duì)焊縫質(zhì)量要求更高。結(jié)合缺欠（硬釬縫金屬與母材之間沒(méi)有結(jié)合或沒(méi)有充分結(jié)合的部位）是兩種焊接方式常見(jiàn)的焊接缺陷，缺陷通過(guò)超聲波無(wú)損檢測(cè)進(jìn)行檢驗(yàn)。超聲波無(wú)損檢測(cè)圖像中，完全充分結(jié)合圖像顯示白色，沒(méi)有結(jié)合顯示紅色，沒(méi)有充分結(jié)合顯示藍(lán)色或黃色。真空釬焊的焊縫質(zhì)量參考標(biāo)準(zhǔn)為QJ2844-I級(jí)，釬著率≥85%，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為通用性要求，針對(duì)液冷產(chǎn)品沒(méi)有詳細(xì)的規(guī)定。

液冷冷板焊接后進(jìn)行超聲波無(wú)損檢測(cè)（焊縫質(zhì)量符合QJ2844-I級(jí)，釬著率≥85%）和密封性檢測(cè)，均合格，產(chǎn)品使用一段時(shí)間后，焊縫處出現(xiàn)了漏液、滲液等現(xiàn)象，導(dǎo)致冷板喪失散熱功能。為制定真空釬焊和真空擴(kuò)散焊液冷產(chǎn)品焊縫質(zhì)量的合格判據(jù)，文中通過(guò)對(duì)不同缺陷程度的冷板進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，為實(shí)際生產(chǎn)中制定焊縫質(zhì)量判定依據(jù)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 失效原因

造成冷板失效的主要原因包括：（1）超壓。冷板內(nèi)部壓力超過(guò)要求的安全壓力值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致冷板失效；（2）冷板內(nèi)部水未清干。當(dāng)冷板內(nèi)部流道的水未清理干凈且處于零攝氏度以下溫度時(shí)，焊縫附近的水結(jié)冰會(huì)導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂；（3）外力沖擊。當(dāng)冷板受到強(qiáng)大的外力沖擊時(shí)，容易造成焊縫開(kāi)裂，從而導(dǎo)致冷板失效；（4）疲勞開(kāi)裂。在循環(huán)壓力的作用下，會(huì)對(duì)焊縫造成不可逆的疲勞損傷，長(zhǎng)時(shí)間作用會(huì)導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂，從而使冷板失效。

當(dāng)排除超壓、水未清干、外力沖擊等人為及外界因素后，造成冷板失效的主要原因是疲勞開(kāi)裂。冷板耐疲勞損傷能力與焊接質(zhì)量直接相關(guān)，若冷板整體焊接質(zhì)量較好，則使用時(shí)間較長(zhǎng)；若冷板整體焊接質(zhì)量較差，則短時(shí)間內(nèi)便會(huì)導(dǎo)致冷板失效。

失效冷板中，在開(kāi)裂位置取出試樣進(jìn)行分析，其焊縫形貌如圖1所示。從圖中完全開(kāi)裂與未完全開(kāi)裂焊縫形貌可以看出，冷板在使用過(guò)程中的失效符合焊縫疲勞開(kāi)裂過(guò)程。

圖2所示的為擴(kuò)散焊冷板漏液后，從焊縫開(kāi)裂位置取出的試樣斷口形貌，從低倍形貌中可以看出，斷口局部位置存在疲勞開(kāi)裂痕跡，圖2（a）中標(biāo)記位置斷口形貌呈多層波浪狀，此斷口形貌符合疲勞開(kāi)裂斷口形貌。圖2（b）為高倍下疲勞斷口的形貌，可明顯看出疲勞斷口的波浪狀形貌。

結(jié)合失效冷板的使用過(guò)程、開(kāi)裂位置焊縫形貌以及斷口形貌分析，可以證明冷板失效原因?yàn)槠陂_(kāi)裂。對(duì)于冷板的使用時(shí)間能否達(dá)到預(yù)計(jì)壽命，很大程度取決于焊接質(zhì)量，整體焊接質(zhì)量較差的冷板更容易產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂。

2 疲勞開(kāi)裂機(jī)理

2.1 疲勞開(kāi)裂形式

對(duì)于焊接類(lèi)冷板，在交變載荷使用下容易造成疲勞損傷，隨著疲勞損傷的積累，裂紋容易在焊縫薄弱處萌生，在應(yīng)力持續(xù)作用下，疲勞裂紋逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂。根據(jù)受到載荷方向的不同，常見(jiàn)的疲勞裂紋可以分為如下3種類(lèi)型，如圖3所示。

（1）I型裂紋，又稱(chēng)張開(kāi)型裂紋。焊接件受到與焊接面垂直的正應(yīng)力σ，疲勞裂紋上下兩個(gè)表面發(fā)生垂直于裂紋面（即沿y方向）的位移，該位移使裂紋沿y方向張開(kāi)。

（2）II型裂紋，又稱(chēng)滑移型裂紋。焊接件受到與焊接面平行且與裂紋前沿線垂直的切應(yīng)力τ，疲勞裂紋上下兩個(gè)表面發(fā)生垂直于裂紋前沿線（即沿x方向）的位移，該位移使裂紋沿x方向滑開(kāi)。

（3）III型裂紋，又稱(chēng)撕開(kāi)型裂紋。焊接件受到與裂紋前沿線及焊接面均平行的切應(yīng)力τ作用，疲勞裂紋上下兩個(gè)表面發(fā)生平行于裂紋前沿線（即沿z方向）的位移，該位移使裂紋沿z方向撕開(kāi)。

焊接產(chǎn)品在實(shí)際工況下，通常為上述三種基本類(lèi)型的裂紋組合而成，成為復(fù)合型裂紋。

2.2 疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)理

微裂紋的形核通常發(fā)生在疲勞壽命早期，對(duì)于存在微小缺陷的焊接件，微裂紋的形核更容易發(fā)生。在載荷的作用下，形成的微裂紋最初與最大切應(yīng)力方向一致，當(dāng)載荷低于疲勞極限的循環(huán)應(yīng)力時(shí)，微裂紋幾乎不會(huì)擴(kuò)展，因此裂紋在這段時(shí)間內(nèi)不會(huì)表現(xiàn)。當(dāng)載荷高于疲勞極限的循環(huán)應(yīng)力時(shí)，裂紋會(huì)立即發(fā)生擴(kuò)展，在外加載荷作用下，微裂紋最初沿45°最大切應(yīng)力方向擴(kuò)展，這是疲勞微裂紋擴(kuò)展的第一階段，隨著微裂紋擴(kuò)展的不斷進(jìn)行，少數(shù)幾條微裂紋會(huì)彼此相交逐漸匯聚成一條主裂紋，同時(shí)主裂紋由最初沿45°最大切應(yīng)力方向擴(kuò)展逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檠刈畲笄袘?yīng)力垂直方向擴(kuò)展，這是疲勞微裂紋擴(kuò)展的第二階段。

與第一階段相比，第二階段疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程更易于觀察。Laird（1967）觀察了金屬材料在對(duì)稱(chēng)循環(huán)載荷作用下的疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程，提出了描述疲勞裂紋擴(kuò)展的塑性鈍化模型［2］，如圖4所示，圖中（a）（b）（c）（d）和（e）分別對(duì)應(yīng)一個(gè)載荷周期內(nèi)應(yīng)力從零開(kāi)始增大，直到達(dá)到最大拉應(yīng)力，隨后下降回到零點(diǎn)，最后反向加載達(dá)到最大壓應(yīng)力的過(guò)程。與此相應(yīng)，開(kāi)始時(shí)在外加載荷拉應(yīng)力作用下裂紋尖端的形狀非常尖銳，如圖4（a）所示；隨著拉應(yīng)力的不斷加大，裂紋尖端開(kāi)始逐漸張開(kāi)，受外加載荷影響，裂紋尖端處存在高度應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋尖端附近產(chǎn)生輕微塑性變形，促使裂紋尖端不斷向前擴(kuò)展，如圖4（b）所示；隨著拉應(yīng)力的不斷加大，裂紋尖端被拉開(kāi)，疲勞裂紋擴(kuò)展出新的表面，此時(shí)拉應(yīng)力也達(dá)到最大值，如圖4（c）所示；隨著外加載荷的卸載，已經(jīng)張開(kāi)的裂紋受到材料內(nèi)部壓應(yīng)力作用而趨于閉合，但是新開(kāi)創(chuàng)的裂紋面卻不會(huì)消失，于是新開(kāi)創(chuàng)的裂紋面在材料內(nèi)部相互擠壓作用下發(fā)生失穩(wěn)，成為凹槽狀結(jié)構(gòu)，如圖4（d）所示；此后外加載荷反向加載，裂紋尖端開(kāi)始受到壓應(yīng)力的作用而逐漸向前擴(kuò)展，當(dāng)壓應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，裂紋尖端被壓縮成為尖銳的形狀，此時(shí)裂紋長(zhǎng)度較之前相比已經(jīng)產(chǎn)生一個(gè)增量，如圖4（e）所示。此后外加載荷反向加載，裂紋尖端重新受到拉應(yīng)力的作用，開(kāi)始進(jìn)入新一輪張開(kāi)、鈍化、擴(kuò)展、銳化的反復(fù)過(guò)程。

2.3 冷板焊縫疲勞開(kāi)裂過(guò)程

冷板在正常使用狀態(tài)下，內(nèi)部壓力交替變化，內(nèi)部壓力作用在冷板上便會(huì)形成交變載荷，在冷板不斷承受交變載荷時(shí)容易造成疲勞損傷，隨著疲勞損傷的積累，冷板薄弱處便會(huì)萌生裂紋甚至開(kāi)裂，冷板的薄弱處往往是在焊縫位置，焊接質(zhì)量較差的情況下，焊縫強(qiáng)度低于母材，因此在焊縫位置易萌生裂紋，這便是冷板最常見(jiàn)的失效模式［3］。

冷板發(fā)生疲勞破壞需要經(jīng)歷的三個(gè)階段，其中這三個(gè)階段構(gòu)成材料的疲勞總壽命。金屬材料疲勞斷裂過(guò)程如圖5所示。

（1）疲勞裂紋擴(kuò)展第一階段：又稱(chēng)疲勞裂紋萌生階段。疲勞裂紋通常起源于駐留滑移帶中不可見(jiàn)的微裂紋，在外加載荷作用下，形成的微裂紋最初與最大切應(yīng)力方向一致。疲勞裂紋萌生后，在該區(qū)域內(nèi)，隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK的降低，疲勞裂紋擴(kuò)展速率迅速下降，到某一值ΔKth時(shí)，疲勞裂紋擴(kuò)展速率趨近于零。由此我們可以認(rèn)定當(dāng)ΔK<ΔKth時(shí)，疲勞裂紋不會(huì)發(fā)生擴(kuò)展，當(dāng)ΔK>ΔKth 時(shí)，疲勞裂紋將會(huì)發(fā)生擴(kuò)展。ΔKth是反應(yīng)疲勞裂紋是否發(fā)生擴(kuò)展的一個(gè)物理量，稱(chēng)為應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍門(mén)檻值。

（2）疲勞裂紋擴(kuò)展第二階段：又稱(chēng)疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段。在外加載荷作用下，應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK 從應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍門(mén)檻值ΔKth附近開(kāi)始逐漸增加，同時(shí)疲勞裂紋在循環(huán)應(yīng)力作用下開(kāi)始向前擴(kuò)展，此階段是疲勞裂紋擴(kuò)展的中速率階段，通常情況下疲勞裂紋擴(kuò)展速率在10-9～10-5 m/cycle 范圍內(nèi)。大量試驗(yàn)研究表明，在疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段內(nèi)，da/dn 與ΔK 之間有良好的對(duì)數(shù)線性關(guān)系，因此我們可以利用這一關(guān)系進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展的壽命預(yù)測(cè)。da/dn與ΔK之間的對(duì)數(shù)線性關(guān)系可以表達(dá)如式（1）所示

da/dm=C（ΔK）m

（1）

上述公式（1）就是著名的描述疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線的Paris公式。C、m是描述材料疲勞裂紋擴(kuò)展性能的基本參數(shù)，由試驗(yàn)確定，m常被稱(chēng)為Paris指數(shù)。

（3）疲勞裂紋擴(kuò)展第三階段：又稱(chēng)疲勞裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段，在外加載荷作用下，疲勞裂紋擴(kuò)展十分迅速。隨著疲勞裂紋擴(kuò)展速率迅速上升，金屬材料中裂紋尺寸也逐漸增大，當(dāng)ΔK達(dá)到KIC時(shí)，材料將會(huì)發(fā)生韌性撕裂或脆性斷裂。對(duì)于韌性較好的金屬材料，斷裂前會(huì)發(fā)生明顯的塑性變形，對(duì)于脆性較好的金屬材料，則不會(huì)發(fā)生明顯的塑性變形而直接斷裂［4-6］。

3 試驗(yàn)方法

液冷產(chǎn)品在使用過(guò)程中，冷卻介質(zhì)通過(guò)管路及連接器進(jìn)入冷板內(nèi)，在介質(zhì)通入冷板時(shí)，冷板內(nèi)部的壓力會(huì)產(chǎn)生變化，伴隨瞬時(shí)產(chǎn)生的這種變化通常具有破壞性，對(duì)冷板內(nèi)部造成壓力沖擊，壓力脈沖試驗(yàn)則是模擬了冷板在使用過(guò)程中的壓力、沖擊頻率等因素，盡可能的營(yíng)造實(shí)際工作環(huán)境并超負(fù)荷運(yùn)行。

因此，壓力脈沖試驗(yàn)可模擬用戶(hù)使用時(shí)冷板的狀態(tài)以及疲勞開(kāi)裂的過(guò)程。其試驗(yàn)條件則是參考用戶(hù)使用過(guò)程中所產(chǎn)生的工作壓力、沖擊頻率等參數(shù)。表1為壓力脈沖試驗(yàn)具體條件。保壓測(cè)試脈沖波形如圖6所示。

1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)試驗(yàn)波形為1.5 s內(nèi)由0 MPa上升到3.5 MPa，在3.5 MPa壓力下保持2 s，0.5 s內(nèi)由3.5 MPa下降到0 MPa。3號(hào)壓力脈沖試驗(yàn)采用圖6中的波形，1.5 s內(nèi)由0 MPa上升到1.5 MPa，在1.5 MPa壓力下保持2 s，0.5 s內(nèi)由1.5 MPa下降到0 MPa，以此脈沖形式循環(huán)10 000或20 000次。流程如圖7所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖8～圖13為真空擴(kuò)散焊產(chǎn)品的試驗(yàn)結(jié)果，1～3號(hào)冷板的焊接方式如圖8～圖10所示。1號(hào)冷板為無(wú)缺陷的擴(kuò)散焊冷板，經(jīng)過(guò)10 000次、20 000次、30 000次、40 000次、50 000次壓力脈沖循環(huán)后如圖11所示，沒(méi)有新增缺陷。起初有缺陷的擴(kuò)散焊產(chǎn)品，2號(hào)冷板如圖12（a）所示，紅色圈內(nèi)為原始缺陷、黃色圈內(nèi)初始無(wú)缺陷，壓力脈沖到一定

次數(shù)后黃色圈內(nèi)開(kāi)始有新增缺陷。3號(hào)冷板如圖13（a）所示，紅色圈內(nèi)為原始缺陷、黑色圈內(nèi)初始無(wú)缺陷，壓力脈沖到一定次數(shù)后黑色圈內(nèi)開(kāi)始有新增缺陷。

壓力脈沖循環(huán)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，冷板內(nèi)部壓力交替變化，內(nèi)部壓力作用在冷板上形成交變載荷，冷板不斷承受交變載荷，最終導(dǎo)致疲勞損傷。起初有缺陷的擴(kuò)散焊產(chǎn)品，說(shuō)明冷板焊縫質(zhì)量較差，有不可見(jiàn)的微小缺陷，在交變載荷的作用下容易造成疲勞損傷，隨著疲勞損傷的積累，冷板薄弱處便會(huì)萌生裂紋形成缺陷。

圖14～圖19為真空釬焊產(chǎn)品的試驗(yàn)結(jié)果，圖14和圖17為4號(hào)冷板和5號(hào)冷板的焊接方式。圖15為4號(hào)冷板試驗(yàn)前的缺陷狀態(tài)，圖18為5號(hào)冷板試驗(yàn)前的缺陷狀態(tài)。壓力脈沖測(cè)試過(guò)程中距離流道最近距離d≤3 mm的缺陷隨著脈沖次數(shù)的累積逐漸擴(kuò)大，距離流道最近距離d≥3 mm的缺陷未發(fā)生變化。

在流道內(nèi)部通液進(jìn)行壓力脈沖試驗(yàn)時(shí)，缺陷受力，隨著疲勞損傷的積累，冷板薄弱處便會(huì)萌生裂紋甚至開(kāi)裂，距離流道較近的缺陷（距離d≤3 mm），焊縫質(zhì)量差，焊縫強(qiáng)度低，是冷板薄弱的地方，在冷板進(jìn)行壓力脈沖試驗(yàn)時(shí)，內(nèi)部壓力交替變化，內(nèi)部壓力作用在冷板上便會(huì)形成交變載荷，在冷板不斷承受交變載荷時(shí)，缺陷擴(kuò)展。而距離流道較遠(yuǎn)的缺陷（距離d≥3 mm），流道附近的焊縫質(zhì)量較好，薄弱處距離流道較遠(yuǎn)，在循環(huán)壓力下，流道與缺陷之間有質(zhì)量好的焊縫相隔，未受到損傷，故距離流道最近距離d≥3 mm的缺陷未發(fā)生變化。

壓力脈沖試驗(yàn)為周期性疲勞試驗(yàn)，該試驗(yàn)可將微小缺陷放大直至產(chǎn)品失效，此類(lèi)疲勞性試驗(yàn)對(duì)于產(chǎn)品的破壞性小，需要較多次數(shù)的累積才能達(dá)到產(chǎn)品失效的程度，但對(duì)于內(nèi)部存在微小缺陷的產(chǎn)品，可通過(guò)提高試驗(yàn)壓力的方式，加速將缺陷進(jìn)行放大，而且不影響內(nèi)部完好產(chǎn)品的正常使用壽命。

通過(guò)壓力脈沖試驗(yàn)證明，對(duì)于真空釬焊冷板，距離流道最近距離大于3 mm的缺陷在正常使用周期內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生變化，且不與流道連通；距離流道最近距離d≤3 mm的缺陷隨著脈沖次數(shù)的累積缺陷逐漸擴(kuò)展。對(duì)于真空擴(kuò)散冷板，焊合率為100%的冷板可滿足正常的使用；若冷板任何一處焊接面存在缺陷則證明該冷板整體焊接質(zhì)量較差，壓力脈沖到一定次數(shù)后開(kāi)始有新增缺陷。

5 結(jié)論

（1）對(duì)于真空釬焊產(chǎn)品，允許焊接面存在距離流道3 mm以上的結(jié)合缺欠，且焊合率大于85%。

（2）對(duì)于真空擴(kuò)散焊產(chǎn)品，焊接面不允許出現(xiàn)任何結(jié)合缺欠，焊合率要求100%。

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收稿日期： 2024-08-20

杜俊莉簡(jiǎn)介： 碩士，主要從事鋁合金特種焊接工藝研究和技術(shù)攻關(guān)工作。