热处理工艺对电池冷却板钎焊后尺寸的影响

桂良宝，郭飞跃，黄美艳，唐兴昌，石长亮

（1.乳源东阳光优艾希杰精箔有限公司，韶关 512721；2.兰州理工大学材料科学与工程学院，兰州 730050；3.广东省科学院工业分析检测中心，广州 510650）

0 前言

新能源汽车是未来的发展趋势，近几年来销量呈爆发式增长。据有关数据显示，2022年中国汽车总销量为2686.4 万辆，实现了2.1%的同比增长，其中新能源汽车总销量为680万辆，其市场占有率提升至25.3%。为了对新能源汽车电池进行有效热管控，电池冷却板也被大量使用。目前市场上的主流电池冷却板其流道板基本为两层或三层复合材，芯材普遍为Al-Mn系合金，其底板基本为光板或两层复合材。流道板经冲压、开孔后，与开孔的底板组装，然后钎焊成一个整体。电池冷却板规格非常多，窄的只有500 mm左右，宽的会达到2400 mm左右。由于电池冷却板多为宽幅板，经过高温钎焊后，其宏观尺寸特别是钎焊前的开孔尺寸会发生一定的变化，这对电池冷却板的设计和组装带来一定的困难。本文主要研究了成品热处理工艺对电池冷却板钎焊后尺寸的影响，分析了钎焊后宏观尺寸变化的机理，期望对电池冷却板的设计提供一定的理论指导。

1 试验方案

1.1 材料制备

采用99.7%普铝锭、Al-Cu中间合金、锰剂等原材料，熔铸成2块规格为400 mm×1400 mm×5000 mm的Al-Cu-Mn合金芯材铸锭，编号A、B，其化学成分见表1。铸锭A 不进行均热处理，铸锭B 采用580 ℃×12 h 进行均热处理，均热升温速度25 ℃/h，冷却速度50 ℃/h，将铸锭A和经过均热处理的铸锭B分别截取横截面中心位置15 mm×50 mm用于芯材金相组织观察，侵蚀液为混合酸（下同）。铸锭A、B 经铣面、加热（500 ℃×2 h）后，热轧至6 mm厚，终轧温度300 ℃。6 mm厚的热轧卷冷却后，再冷轧至2 mm 厚，然后取样，分别采用250 ℃×2 h（样品编号A1、B1）和400 ℃×2 h（样品编号A2、B2）工艺进行成品退火处理。退火后的样品再截取40 mm宽，长度分别为500 mm、700 mm、900 mm、1000 mm的几个样品，长度方向平行于轧制方向，每种样品至少3片，用于模拟钎焊试验。

表1 芯材合金化学成分（质量分数/%）

1.2 试验及检测项目

观察经过均热处理的样品B和未经过均热处理的样品A的第二相的尺寸和分布情况。对截取的长条样品采用千分尺和游标卡尺测量钎焊前实际厚度、宽度、长度，并记录数据，然后进行模拟钎焊。模拟钎焊金属温度曲线见图1。钎焊后测量各样条的厚度、宽度、长度，并观察钎焊前、后样品的芯材金相组织。

图1 模拟钎焊金属温度曲线

2 试验结果与讨论

2.1 铸造金相观察

对铸态样品A和铸造后经均热处理的样品B进行金相观察，白色部分为第二相析出物，如图2所示。由图2（a）可以看出，铸态样品A的第二相析出物主要呈长条状和网状分布；经过均热处理后，样品B的第二相析出物明显增多，且原长条状和网状的第二相组织断裂成短棒状和点状，其它部位也有点状第二相析出（见图2（b））。

图2 样品A和B的第二相分布

2.2 钎焊前后样品金相组织观察

如图3 所示，图3（a）～图3（d）分别为A1、A2、B1、B2样品钎焊前的芯材金相组织，图3（e）～图3（h）分别为A1、A2、B1、B2 样品钎焊后的芯材金相组织。由图3（a）和图3（c）可以看出，采用低温成品退火的A1、B1 样品，芯材金相为纤维组织；而采用高温成品退火的A2、B2样品，芯材金相为再结晶组织（图3（b），图3（d））；钎焊后的样品均为再结晶组织（见图3（e）～图3（h））。对再结晶组织的样品晶粒尺寸进行测量，统计结果如表2所示。A2样品的晶粒尺寸最大（见图3（b），图3（f）），钎焊前、后晶粒尺寸变化不大；B2 样品的钎焊前再结晶晶粒尺寸较小（图3（d））；钎焊后晶粒略微长大（见图3（h））。

图3 各样品钎焊前后芯材金相组织

表2 钎焊前、后样品芯材晶粒尺寸

2.3 钎焊前、后样品厚度、宽度和长度测量结果

表3 为2 mm×40 mm×1000 mm 规格的A1 样品钎焊前、后的厚度、宽度和长度测量数据统计结果。从表3测量结果看，钎焊后厚度、宽度尺寸没有明显变化，长度尺寸缩减明显。不同长度的A1样品钎焊后尺寸缩减如表4 所示，随着长度的增加，钎焊后尺寸缩减值逐渐增大。表5为长度均为1000 mm 的Al、A2、B1、B2 样品钎焊后缩减统计。从表5可以看出，长度均为1000 mm时，不同状态的样品钎焊后缩减值不同。其中A1 样品钎焊后长度缩减值最大，约为0.43 mm；A2样品钎焊后长度缩减值最小，为0.13 mm。

表3 2 mm×40 mm×1000 mm规格的A1样品钎焊前、后的厚度、宽度和长度数据

表4 不同长度的A1样品钎焊前、后长度统计

表5 长1000 mm的A1、A2、B1、B2样品钎焊后缩减统计

2.4 分析与讨论

2.4.1 热处理工艺对成品金相的影响

由图2（a）可以看出，铸造组织中存在明显的第二相偏析，第二相呈长条状、网状分布，这是因为Al-Mn 系合金在半连续铸造时有发生晶内偏析，第二相主要是（Mn，Fe）Al6相[1-2]。而且铸造组织中Mn 的过饱和度很高，经过均热处理后，基体中的过饱和固溶Mn 元素开始析出，第二相数量明显增多，原长条状、网状（Mn，Fe）Al6的第二相逐渐转变成短棒状、球状的α-Al12（Fe，Mn）3Si 相[3]。

根据孙中跃[4]等的研究，未均热处理合金中固溶的Mn 元素含量越高，再结晶推迟越明显。析出先于再结晶发生，沿轧向链状分布的析出相能够钉扎晶界，阻碍晶界法向移动，形成长条状大晶粒，图3（b）正好印证此结论。对于芯材经均热处理过的样品B，成品低温退火后芯材金相组织仍为纤维组织（图3（c）），高温退火后得到的组织接近等轴晶（见图3（d））。经过高温钎焊后，A1、B1样品均发生了再结晶，但A1 样品晶粒更大。这是因为A1 样品未经芯材均热处理，前一步退火过程以及钎焊升温过程中有细小的第二相沿轧向析出，细小的第二相会钉扎晶界，推迟再结晶，导致晶粒沿轧向优先生长，形成大晶粒；而B1 样品经过芯材均热处理以及高温热轧，材料中基本无过饱和的固溶Mn，在进行钎焊时基本没有细小的第二相析出[5]，再结晶过程没有推迟，更容易形成细小的等轴晶。对比A2 样品，钎焊前、后芯材晶粒组织无明显变化（见图3（b）、图3（f）），而B2 样品钎焊后发生晶粒长大现象，可能是因为钎焊温度较高，B2 样品在钎焊过程中存在部分析出相回溶的情况，部分第二相的回溶，导致晶粒脱离第二相的约束而发生长大。而A2 样品在钎焊前，由于芯材未经过均热处理，样品本身处于Mn 固溶过饱和状态，钎焊时主要是第二相析出过程，所以晶粒尺寸基本未发生变化。

2.4.2 热处理工艺对钎焊后尺寸缩减的影响

由表3可以看出，2 mm×40 mm×1000 mm规格的A1 样品钎焊后厚度和宽度方向上的尺寸未发生明显变化，而长度方向上发生了明显的尺寸缩减。而且随着长度的增加，钎焊后尺寸缩减量也增加，长度1000 mm 的样品，钎焊后长度缩减量达到了0.43 mm（如表4所示）。相关研究[6-9]表明，冷轧过程中晶粒沿轧制方向被拉长、压碎，产生的大量位错缠结在一起构成亚结构。A1 样品经过热轧和冷轧过程，样品为轧制组织，组织中的空位、位错、晶界数量很多，成品采用低温退火，仅发生回复过程，回复过程的本质是点缺陷运动和位错运动及其重新组织，在精细结构上表现为多边化过程，形成亚晶组织，但其组织仍为纤维组织，密度变化不大。在一定的退火时间下，位错密度随退火温度的升高而降低。A1 样品钎焊前组织中的空位、位错、晶界的数量很多，而钎焊过程材料发生再结晶，材料中的空位、位错基本消失，晶界大大减少，导致材料密度变大，宏观尺寸变小。试验样品尺寸为2 mm×40 mm×1000 mm，厚度和宽度方向上尺寸并不大，因此钎焊后厚度和宽度尺寸上的变化很小，难以通过千分尺和游标卡尺检测出。

由表5 数据可以看出，成品采用高温退火的A2、B2 样品，钎焊后尺寸缩减值明显小于采用低温退火的A1、B1 样品，这是因为高温退火的A2、B2 样品芯材组织为再结晶组织，材料中的空位和位错很少，钎焊后晶粒尺寸略微长大，所以材料密度变化较小，宏观尺寸变化也较小。A2 样品的钎焊后尺寸缩减相对于B2样品更小，这是因为A2样品的钎焊前、后晶粒尺寸变化很小，而B2 样品钎焊后晶粒尺寸有长大，晶粒尺寸变大，晶界数量有所减少，会导致密度略微上升，所以宏观尺寸会略微下降。

综上所述，钎焊前、后组织中的空位、位错、晶界数量变化，导致材料密度变化，是钎焊后出现尺寸缩减的主要原因。对于电池冷却板的材料和工艺设计，采用芯材铸锭不均热处理、成品高温退火的工艺，其钎焊后产品尺寸缩减值最小。

3 结论

（1）采用低温成品退火时，芯材组织为纤维组织，钎焊后为再结晶组织，组织变化大；采用高温成品退火，芯材组织为再结晶组织，钎焊后晶粒略微长大，组织变化小。

（2）铸态组织不均热处理时，Mn 过饱和度高，采用高温成品退火，形成长条状大晶粒，钎焊后芯材晶粒尺寸相对于钎焊前基本无变化。

（3）钎焊前、后芯材组织中的空位、位错、晶界数量变化，导致材料密度变化，引起钎焊后的宏观尺寸变化，是钎焊后出现尺寸缩减的主要原因。对于电池冷却板的材料和工艺设计，采用芯材铸锭不均热处理、成品高温退火的工艺，其钎焊后产品尺寸缩减值最小。