銅鋁復(fù)合散熱器的擠出工藝手藝 闡明與研究

散熱器型材其構(gòu)造 均是由多個齒形構(gòu)成 ，為了提高散熱效力 ，增年夜 散熱面積，在每一個齒上年夜 都布有多個尖牙，這類 構(gòu)造 固然 有用 地提高了散熱效力 ，改善了散熱結(jié)果 ，增添 了散熱面積， 然則 卻給型材擠壓帶來了很年夜 的阻力。

摘要：鋁合金散熱器型材是鋁合金擠壓型材中難度較年夜 ，手藝 含量較高的一種。散熱器產(chǎn)物 由于其特別的機能 要求，對 與熱源直接接觸的外觀，需要鑲嵌銅片提高散熱器的導熱率，而今朝 的各類 銅鋁連系 的工藝普遍在兩者之間存在粘結(jié)層，不成避免地影響到散熱器的機能 。

　　本文提出了一種覆銅散熱器復(fù)合型材一次擠壓成形的方式 ，文中具體 論說 了銅鋁復(fù)合加工機理和散熱器覆銅設(shè)計及其構(gòu)造 剖析 ，經(jīng)由過程 傳統(tǒng)的鋁型材擠壓裝備 及模具的構(gòu)造 進行設(shè)計革新 。離別 在擠壓裝備 上增添 了銅板的送料機構(gòu)，在擠壓模具、模套、模座等擠壓對象 上增添 輸送銅板的進料口，初步實現(xiàn)了覆銅散熱器復(fù)合型材一次擠壓成形。

1　引言

　　跟著 科學手藝 的不竭提高 ，新構(gòu)造 、新材料和新工藝的運用 日趨 普遍 ?，F(xiàn)代工程中的許多零部件需要工作在高溫或低溫、侵蝕 介質(zhì)、電磁場或放射脾氣 況 中，所選用的材料應(yīng)當 是能知足 工作要求的特別材料，零丁 使用一種材料經(jīng)常 不克不及 知足 現(xiàn)實 運用 中的各類 要求，而且 有色金屬材料的用量也比力年夜 。為了節(jié)儉年夜 量的優(yōu)良 珍貴 有色金屬材料，下降 本錢 ，簡化制造工藝，包管 分歧 的工作前提 下使用分歧 的材料，充實行 展 分歧 材料的機能 優(yōu)勢，異種有色金屬材料的復(fù)合手藝 在現(xiàn)實 出產(chǎn)中有著普遍 的運用 。

　　今朝 ，工程上年夜 量采取 的是純真 的鋁散熱器，由于鋁的導熱系數(shù)較低，僅為230W/m℃(0℃時)，年夜 量的熱量很難被敏捷 帶走。而銅的導熱系數(shù)較高，為382W/ m℃(0℃時)，但銅散熱器的重量較年夜 ，而且 在卑劣 情況 下的三防(防潮、防霉、防鹽霧)較難。

　　銅鋁復(fù)合建造 的散熱器，較好地施展 了兩種金屬各自的優(yōu)勢，做到了優(yōu)勢互補，不僅能使散熱器耐侵蝕 ，產(chǎn)物 重量輕壽命長，而且還提高了散熱器其他方面的手藝 參數(shù)指標。

　　近幾年來，散熱器出產(chǎn)商在原有鋁合金散熱器的根蒂根基 上作了手藝 改善 ，在散熱翅片不和 加上5～6mm厚的紫銅板，或 在鋁制散熱翅中到場 紫銅散熱管，以利于提高散熱結(jié)果 。今朝 高速CPU芯片就采取 了此種設(shè)計的散熱器進行散熱，但由于鋁－銅的物理性質(zhì)差別 較年夜 ，構(gòu)成 致密靠得住 的毗連難度較年夜 ，是以 若何 將兩者 有用 地毗連在一路 成了此項手藝 運用 的樞紐?，F(xiàn)有的焊接辦 藝 是先在鋁外觀鍍鎳，再與銅板執(zhí)行 軟釬焊，即構(gòu)成 鋁－鎳－銅系統(tǒng) 。這一工藝方式 根基 上能到達 產(chǎn)物 設(shè)計的手藝 要求，但由于需要增添 電鍍工藝，因今生 產(chǎn)本錢 較高，而且由于鎳的熱傳導性較差，阻礙了散熱器散熱結(jié)果 的進一步提高，沒有最年夜 限度的施展 此種(銅－鋁)散熱器設(shè)計的手藝 優(yōu)勢。

　　今朝 市道上充溢 著各類 各樣的銅鋁連系 的散熱器，采取 分歧 的工藝將銅與鋁連系 在一路 。經(jīng)常使用 的有釬焊、螺絲鎖合、熱脹冷縮連系 、機械式壓合等方式。

2　覆銅散熱器的加工機理與設(shè)計

　　覆銅散熱器凸起 的問題是銅/鋁接頭的毗連[1]。實踐證實 ，在負荷較年夜 的情況下，用傳統(tǒng)方式 對銅與鋁毗連所出產(chǎn)的電工產(chǎn)物 是極不成靠的[2]。采取 表而堆焊、爆炸復(fù)合、軋制復(fù)合等多種方式 都可 成功制備銅/鋁毗連件，但是 就機能 和價錢 比而言，采取 擠壓法制備復(fù)合接頭具有顯著 的優(yōu)勢，經(jīng)由過程 該方式 構(gòu)成 的銅/鋁毗連件可以下降 本錢 、減輕構(gòu)件質(zhì)量和 施展 銅、鋁各自的長處 ，并能變異種金屬的焊接為同種金屬的焊接[3-5]。銅、鋁復(fù)應(yīng)時 ，在復(fù)合界而上會生成一層金屬間化合物(如CuAl2等)，這類金屬間化合物硬而脆，會致使 復(fù)合板的連系 強度和曲折 機能 等下降 ，且導電性變差[6]，是以 ，這類 過渡層不克不及 太厚，不然 將對材料的使用特征 發(fā)生 影響。別的 ，由于鋁的線縮短 系數(shù)年夜 于銅的線縮短 系數(shù)，在冷卻進程 中銅/鋁復(fù)合界而四周 發(fā)生 很年夜 的應(yīng)力，當界面連系 強度不足時，將致使本來 杰出的鍛造 連系 而開裂。是以 ，選擇公道 的復(fù)合工藝相當 主要 。

　　銅/鋁復(fù)合材料采取 固－液復(fù)正當 制備，起首 要對銅板進行預(yù)處置：將銅板在脫脂劑中進行脫脂處置，用清水沖刷 后在鋼絲輪長進 行除銹和打毛處置，打毛的目標 是為增添 界面的接觸而積。銅/鋁復(fù)合層的構(gòu)成 主如果 銅與鋁的界面反映和彼此散布 的了局，復(fù)合界面的冶金連系 是經(jīng)由過程 接觸面上金屬的融化 和散布 進程 實現(xiàn)的。當液態(tài)鋁與固態(tài)銅接觸時，固態(tài)銅外觀發(fā)生界面反映和 銅和鋁原子的彼此散布 ，在兩種金屬中構(gòu)成 散布 層，在界面上還構(gòu)成 金屬間化合物。復(fù)合界面的冶金連系 是經(jīng)由過程 界面層上固體的局部融化 和原子散布 的物理冶金進程 實現(xiàn)的。

在固－液復(fù)合的前提 下，使用熔劑對銅板進行預(yù)浸鍍，在鋁錠擠壓溫度為480℃以上，銅板預(yù)熱溫度為400℃時，獲得了界面過渡層厚度為45μm，剪切強度為57 MPa的杰出復(fù)合界面[7]。

　　同時，固－液復(fù)合界面上存在融化 區(qū)和非融化 區(qū)，銅/鋁復(fù)合界面的連系 是經(jīng)由過程 銅/鋁接觸面上銅的融化 和銅與鋁之間的散布 實現(xiàn)的。

3　散熱器覆銅設(shè)計及構(gòu)造 剖析

　　在鋁合金散熱器底部鑲嵌0.2mm厚度的銅板，可以年夜 年夜 提高散熱器的散熱效力 ，同時節(jié)儉年夜 量本錢 。散熱片選用較高導熱系數(shù)的材料對提高熱傳導效力 很有扶助，鋁的導熱系數(shù)為735KJ/(M?H?K)，銅的導熱系數(shù)為1386KJ/(M?H?K)，在所有其它前提 均不異的時辰，銅在單元 時候 內(nèi)傳導的熱量是鋁的近兩倍。

　　若是將鋁合金散熱片改用銅來制造，對熱的傳導速度 將會有一個很可觀的晉升，如許 固然 就對高度集中的熱量具有顯著 “療效”。然則 ，還需要斟酌 銅的比重比鋁年夜 ，將不相符 散熱片重量限制的要求； 紅銅的硬度不如鋁合金AA6063，某些機械加工機能 不如鋁；銅的熔點比鋁高許多 ，晦氣 于擠壓成形等等問題。所以這里就把銅、鋁連系 運用 ，行使 銅的高導熱系數(shù)特點，把熱量傳導至鋁材質(zhì)的鰭片，再經(jīng)由過程 電扇 的對流感化 披發(fā) 至空氣中。既包管 其重量不超標，又可量產(chǎn)，也獲得 了必然 的效能晉升。

　　散熱片的肋片散布 間距是5.5mm，厚度從1mm到3mm不等；且肋片數(shù)量 較多。很顯著 ，肋片散布 區(qū)域的擠壓力散布 極不平均 ，存在很年夜 的磨擦 力；同時肋片強度較低，在熱擠壓進程 中很容易發(fā)生偏折。反之，散熱器底部供料充沛，比擬 力肋片而言，強度年夜 ，擠壓力小，熱擠壓進程 中流速快，從而型材整體很容易發(fā)生扭擰和側(cè)彎。同時，銅鋁結(jié)應(yīng)時 親和力較差，必需 嚴酷節(jié)制 銅板與鋁錠的接觸面、擠壓力和 擠壓溫度，這也增添 了對型材擠壓進程 中活動 不亂 性的要求，和 對銅板附出力 的要求。

由于模具的齒頂部是最不容易 填充的部位，為了使此處填充充實，鄙人 模齒頂處的焊合室，設(shè)計了可起促流感化 的30°斜面，從而更好地改善了此處的流速。別的 ，此分流模下模焊合室的設(shè)計構(gòu)造 ，分歧 于常規(guī)情勢 的分流模構(gòu)造 ，與上模的分流口尺寸不是完全對應(yīng)的，在焊合室上，下寬度的取值根據(jù) 散熱器型材寬度，按平模導流口的設(shè)計情勢 取值，如許 有益 于 齒頂部不容易 填充的部份 充實填充。

4　構(gòu)造 方案設(shè)計

　　4.1　擠壓模模面的設(shè)計

　　送料機構(gòu)是一個雷同 于接連擠壓裝配 的銅卷。經(jīng)由過程 預(yù)先對銅板進行外觀處置（主要經(jīng)由過程 脫脂、除銹、打毛處置等），使銅板外觀具有必然 粗拙 度，可以或許 增年夜 與半固態(tài)鋁錠的接觸面積。這里的銅板厚度是0.2mm，所以在液態(tài)鋁錠的活動 進程 中，行使 外觀磨擦 力可以或許 帶動薄銅板一路 活動 。由表1可以知：擠壓進程 中的模具溫度到達 480-500℃,擠壓速度為10－30m/min。

表1　鋁合金散熱器型材擠壓工藝參數(shù)[8]

　　由上一節(jié)所述，在鋁錠擠壓溫度為480℃以上，銅板預(yù)熱溫度為400℃時，可以獲得界面過渡層厚度為45μm，剪切強度為57 MPa的杰出復(fù)合界面。所以銅板還要顛末預(yù)熱處置，使整體溫度到達 400℃。顛末預(yù)熱處置后的銅板要實時送入到擠壓模具的模腔內(nèi)，與半固態(tài)鋁錠一路 顛末工作帶、一級空刀、二級空刀，最后從模墊送出銅鋁復(fù)合的散熱器型材。

　　在送入銅板的進程 中，為了確保銅板可以或許 順遂 的進入到模腔內(nèi)，同時鋁錠不至于從所開的側(cè)孔擠出，在銅板的厚度上增開0.08mm的厚度，即擠壓模模面開出厚度為0.28mm的送銅板的槽。如圖1所示。

圖1 擠壓模模面設(shè)計

4.2　模套構(gòu)造 要素的設(shè)計

　　模套主要用于對導流模、擠壓模、模墊的固定，及其在擠壓機中的定位感化 ?？蓪~板輸送機構(gòu)設(shè)計在擠壓機的下方，在輸送鋁錠的同時，將銅帶也輸入擠壓機中。所以在模套的下端開一條0.3mm（＝0.2mm＋0.1mm）厚度的罅縫，供銅板送料。如圖2所示。

圖2　模套設(shè)計

　　4.3　銅板送料機構(gòu)的工作機理及進程 剖析

　　本設(shè)計中，銅板送料機構(gòu)位于擠壓機的下側(cè)，操作人員站在擠壓機右邊 進行遙控操作。預(yù)熱后的鋁錠從擠壓機的下部輸送 到擠壓機內(nèi)。銅板起首 進行外觀處置，先將銅板在脫脂劑中進行脫脂處置，然落后 行除銹和打毛處置。又由于銅板要進行預(yù)熱處置，所以在銅板的外側(cè)有一個保溫箱，包管 銅板溫度恒定連結(jié) 在400～480℃。

　　在型材擠壓起頭前，操作人員先將必然 長度的銅板穿過模套13、擠壓模14，送入到擠壓模中。如圖3所示。然后運行擠壓機，擠壓軸起頭鞭策 鋁錠活動 ；鋁錠經(jīng)由過程 導流模后，在擠壓模腔內(nèi)與銅板會合 。在480℃以上的高溫、10MN的高壓感化 下，鋁錠與銅板帶外觀敏捷 發(fā)生界面反映，銅和鋁原子彼此散布 ；在兩種金屬中構(gòu)成 散布 層，在界面上還構(gòu)成 金屬間化合物，從而兩者 牢凝結(jié) 合。成型后的銅鋁復(fù)合散熱器經(jīng)由過程 空刀、后空刀、模墊11、墊環(huán)12等部位后，逐級降溫強化，最后構(gòu)成 覆銅散熱器型材，截取恰當 長度落后 行外觀處置便可 。

　　如圖3所示，在銅板送料進程 中，為了包管 銅板垂直穿過模套、模型 的罅縫，在接近 模套的部位加設(shè)一個滾輪機構(gòu)17，主要起到定型定位的感化 。固然 ，不成避免的會泛起 銅板斷裂或 銅板傾斜等問題，這就需要從頭對位和植入銅板；為了削減 機械 的頻頻 起停，滾輪機構(gòu)對銅板的位置調(diào)控顯得尤其 主要 。

圖3　擠壓機各部位構(gòu)造

為了使模具在擠壓時?？赘鞑康牧魉倨骄?、擠壓安穩(wěn) ，在設(shè)計模具構(gòu)造 時，打破了實心型材年夜 都采取 平模情勢 的常規(guī)設(shè)計理念，將此型材模具設(shè)計成帶有流口、分流橋的分流模的情勢 ，與常規(guī)分流模所分歧 的是，在此分流模的上模分流橋上，沒有決意 型材內(nèi)孔尺寸的型 芯部份 ，是以 ，稱之為假分流模。

5　小結(jié)

　　本章主要介紹了銅鋁復(fù)合散熱器的研究與運用 。軋制復(fù)正當 、爆炸復(fù)正當 、擠壓－拉拔法是出產(chǎn)銅鋁復(fù)合材料的經(jīng)常使用 方式 。運用 較多的銅鋁復(fù)合材料主要有銅包鋁復(fù)合線材、銅鋁復(fù)合接頭材料、銅鋁復(fù)合板帶等。

　　要使年夜 量熱量經(jīng)由過程 散熱器散出，本文論說 的新型散熱器以0.2mm紫銅板作為散熱器的基板，在基板上壓接鋁合金型材散熱肋片。在高壓下，紫銅基板和鋁合金型材散熱肋片的接觸面發(fā)生 分了級的接觸。用紫銅為基板是由于 紫銅的導熱率高，可以或許 使熱量盡可能 散布 開?；迳蠅航拥纳崂咂苊埽梢曰蛟S 增年夜 散熱面積。

　　具體 接頭了擠壓模模面和模套構(gòu)造 要素的設(shè)計，具體申明 晰銅板送料機構(gòu)的工作機理及運行進程 ，包管 了銅板源源不竭的輸送到擠壓模模腔內(nèi)，從而獲得 及格 的銅鋁復(fù)合散熱器。

樞紐詞：銅鋁復(fù)合散熱器，散熱器，擠壓模具，模具設(shè)計