TWI468535B - 粗大鋁結晶抑制矽擴散方法 - Google Patents

Description

粗大鋁結晶抑制矽擴散方法

本發明係有關於一種粗大鋁結晶抑制矽擴散方法，尤其是指一種可適用於構成室內冷氣空調或薄型化空調散熱器之熱交換板，不僅能使得構成熱交換板之扁形管體與波形散熱鰭片緊固接合外，亦能使銲接處承受90°的彎折變形，其扁形管體之平均晶粒徑範圍可大於200μm，以抑制鋁-矽系銲材之矽擴散現象發生者。

按，一般金屬材料及金屬基複合材料進行接合加工常見的技術包括有：熔銲(fusion welding)、硬銲(brazing)、擴散接合(diffusion bonding)及化學黏著接合(adhesing)等；其中化學黏著接合受限於黏結劑的熔點及環境老化問題，無法滿足高溫使用需求或長期室外曝露；而擴散接合則由於其製程須要對接合界面施加相當高的正向壓力，對於形狀較複雜之工件無法適用，且擴散接合之效果受到表面狀態(光滑度、平坦度及清潔度等)的影響極大，造成接合後的可靠度較差；因此，熔銲以及硬銲即成為一般金屬材料及金屬基複合材料的主要接合方法；然，熔銲方法由於在接合過程中，其銲道熔融區再凝固過程常導致陶瓷強化相的聚集(clustering)，因而產生大量銲接氣孔，而此陶瓷強化相聚集以及殘留銲接氣孔正 是金屬基複合材料結構件最忌諱的材料缺陷；而對於硬銲技術而言，不僅可適用於較高溫度且無環境老化問題，且由於製程中不需對接合界面施加正向壓力，相較於擴散接合方法，硬銲技術更能適用於一般工程上常見之形狀複雜組件，且接合步驟、設備及接合件之可靠度均較擴散接合為佳；另外，由於硬銲接合過程只有銲料發生熔解，母材基本上是保持固態的，相較於熔銲技術，材質較無劣化問題，尤其在接合金屬基複合材料時，不會發生母材銲道區陶瓷強化相聚集以及殘留銲接氣孔問題。

請參閱第十二圖所示，為傳統適用於汽車之熱交換器外觀立體圖，其中熱交換器(2)係由複數個熱交換板(21)所構成，每個熱交換板(21)係以波形散熱鰭片(212)夾設於二扁形管體(211)之間；請參閱第十三圖所示，為現有之熱交換板未加熱前之局部剖面示意圖，當扁形管體(211)欲與波形散熱鰭片(212)進行接合時，係將波形散熱鰭片(212)表面塗佈有鋁-矽系之銲材(22)，使得波形散熱鰭片(212)之波峰與波谷可藉該銲材(22)與扁形管體(211)暫時貼合，再將熱交換板(2)於加熱爐中進行硬銲作業，使得銲材(22)熔化，並藉固液界面作用將波形散熱鰭片(212)與扁形管體(211)互相緊密接合在一起；然，請參閱第十四圖所示，於加熱過程中，鋁-矽系銲材(22)會因重力而堆積於波形散熱鰭片(212)之波 谷或波谷與扁形管體(211)間之銜接處，導致鋁-矽系銲材(22)於固液相共存區因矽擴散而使得上述銜接處產生裂痕或縫隙等，使得熱交換器(2)實施使用一段時間後，於扁形管體(211)內流通的冷媒可藉由上述裂痕或縫隙逸散，不僅造成環境的危害，亦有安全上的疑慮。

再者，上述構成汽車用熱交換器之複數個扁形管體其側端面係位於同一個平面上，當熱交換器欲使用於例如室內冷氣空調或較為薄型化之產品，為達到整體空間最小化，以及冷凍效率不流失之目的時，必須將熱交換器彎折為L形或ㄇ字形狀；然，上述硬銲所製成之熱交換器其彎曲速率相當低，其製程速率難以滿足實際生產需求，使得產能無法提升，甚至彎曲後常造成熱交換器產生銲處龜裂之問題。

是故，本發明人鑑於上述之缺點，秉持多年該相關行業之豐富設計開發及實際製作經驗，改良發明一種可適用於構成室內冷氣空調或較為薄型化產品之熱交換板，不僅使得熱交換板之扁形管體與波形散熱鰭片能緊固接合外，其扁形管體之平均晶粒徑範圍可大於200μm，以抑制鋁-矽系銲材之矽擴散現象發生者；此外，本發明之方法所製成之熱交換板能以12~30度/秒之彎曲速率進行彎折成L形或ㄇ字形，具有較佳之製程速率能滿足實際生產需求。

為了達到上述實施目的，本發明人乃研擬如下實施技術， 首先將鋁材料擠壓成型為扁形管體，且擠型溫度係為攝氏350~480度之間的低溫，藉以提高材料儲存能，並使扁形管體之平均晶粒徑範圍介於30~100μm之間，其中扁形管體可不包含熱鍍鋅處理步驟；接著，將波形散熱鰭片夾設於二扁形管體之間，以形成一熱交換板，其中波形散熱鰭片係塗佈有鋁-矽系之銲材；最後，將熱交換板進行硬銲燒結，燒結溫度係高於攝氏590度，較佳係介於攝氏590~630度之間，且燒結時間大於30分鐘，較佳為30~60分鐘之間，以使扁形管體與波形散熱鰭片之接合處達到熔接效果，同時藉此高溫銲接製程誘發粗大晶粒成長，使扁形管體之平均晶粒徑範圍可大於200μm；藉此，使得銲接時堆積於波形散熱鰭片之波谷或波谷與扁形管體間銜接處的鋁-矽系銲材，所產生之矽擴散情形可被抑制，其矽擴散之平均深度較佳不超過40μm，以解決傳統因矽擴散而使得熱交換器實施使用時造成扁形管體內流通的冷媒藉由銲處裂痕或縫隙逸散的問題發生。

在本發明的一實施例中，波形散熱鰭片可由美國鋁業協會制定之AA規格中3003心材之一面或雙面接合有4343合金。

在本發明的一實施例中，扁形管體內部於沿著擠型方向設有複數個貫穿該扁形管體之孔洞，孔洞較佳係呈獨立且平行，藉以增加扁形管體之耐壓性以及供冷媒流通之用。

此外，藉由本發明之粗大鋁結晶抑制矽擴散方法所製成之 熱交換板能以12~30度/秒之彎曲速率進行彎折，具有較佳之製程速率以滿足實際生產需求，且熱交換板可彎折成例如為L形或ㄇ字形，使得本發明製成的熱交換器能適用於例如室內冷氣空調或較為薄型化之空調散熱器上。

本發明之目的及其結構功能上的優點，將依據以下圖面所示之結構，配合具體實施例予以說明，俾使審查委員能對本發明有更深入且具體之瞭解。

首先，請分別參照第一、二圖所示，分別為本發明之粗大鋁結晶抑制矽擴散方法其較佳實施例步驟流程圖以及適用於本發明之方法其熱交換板局部剖面示意圖，其方法係包括有：步驟一(S1)：將鋁材料擠壓成型為扁形管體(111)，且擠型溫度係介於攝氏350~480度，以使扁形管體(111)之平均晶粒徑範圍介於30~100μm之間；其中，上述之扁形管體(111)可不包含熱鍍鋅處理步驟，且為了提高扁形管體(111)之耐壓性以及增加冷媒流通性，可於扁形管體(111)內部沿著擠型方向設有複數個貫穿扁形管體(111)之孔洞(113)，且孔洞(113)較佳呈獨立且平行，進而形成口琴管結構；步驟二(S2)：將波形散熱鰭片(112)夾設於二扁形管體(111)之間，以形成一熱交換板(11)，其中波形散熱鰭片(112)係塗佈有鋁-矽系之銲材(12)；且 波形散熱鰭片(112)可例如由3003心材之一面或雙面接合有4343合金，而上述型號係為美國鋁業協會(Aluminium Association)制定之AA規格；以及步驟三(S3)：將上述之熱交換板(11)進行硬銲燒結，燒結溫度係高於攝氏590度，較佳係介於攝氏590~630度之間，且燒結時間大於30分鐘，較佳為30~60分鐘之間，以使扁形管體(111)與波形散熱鰭片(112)之接合處達到熔接效果，且扁形管體(111)之平均晶粒徑範圍大於200μm；值得注意的，硬銲燒結亦可以例如為傳統習知之電爐加熱、瓦斯加熱法或高週波加氮處理，因燒結爐可控制回火時間，膨脹係數小，使得銲處結晶相較為穩定，故為較佳之實施方式。

接著，藉由下述具體實施例，可進一步證明本發明之製程可實際應用之範圍，但不意欲以任何形式限制本發明之範圍：首先，將鋁材料於攝氏約為350度之低溫下擠壓成型為扁形管體(111)，以使扁形管體(111)之平均晶粒徑範圍約為59.8μm，如第三圖所示，為本發明具體實施例未進行硬銲燒結步驟之扁形管體晶粒徑顯微鏡照片圖；接著，將塗佈有鋁-矽系銲材(12)之波形散熱鰭片(112)夾設於二扁形管體(111)之間；然後，放入燒結爐中以攝氏590~630度間之高溫，以及30~60分鐘間的時間進行燒 結，銲接結果如下表所示；請一併參閱第四圖所示，本發明具體實施例於610℃/45分鐘進行硬銲燒結步驟後之扁形管體晶粒徑顯微鏡照片圖，可明顯看出扁形管體(111)之平均晶粒徑約為200μm。

此外，由於本發明之扁形管體(111)係經由低溫(350~480)擠型提高材料儲存能，再藉由高溫(590~630度)銲接以粗大晶粒成長，使得堆積於波形散熱鰭片(112)之波谷或波谷與扁形管體(111)間銜接處的鋁-矽系銲材(12)(請一併參閱第二圖所示)，所產生之矽擴散情形可被抑制，請參閱第五圖所示，為以610℃/45分鐘之燒結環境所製成之熱交換板其銲接處矽擴散被抑制之顯微鏡照片圖，其中左圖為右圖之局部放大示意圖，由左圖中可清楚看出，共晶矽厚度約為100μm，矽擴散至扁形管體(111)最深約為31μm，且其平均之矽擴散深度不超過40μm；因此，本發明之粗大鋁結晶抑制矽擴散方法可解決如傳統鋁-矽系銲材(12)因矽擴散而使得空調散熱器(1)實施使用造成於扁形管體(111)內流通的冷媒藉由銲處裂痕 或縫隙逸散的問題發生。

再者，由於改善矽擴散至扁形管體(111)的情形，使得藉由本發明之方法所形成之熱交換板(11)能以12~30度/秒之彎曲速率進行彎折，具有較佳之製程速率以滿足實際生產需求，且熱交換板(11)能彎折成L形或ㄇ字形，並藉由複數個已彎折後之熱交換板(11)製成一具薄型化之空調散熱器(1)，如第六圖所示，為本發明方法製成之空調散熱器彎曲成L形之立體外觀示意圖；下表為以攝氏590~630度間之高溫，與30~60分鐘間的時間進行燒結所製得熱交換板(11)之彎折情形，表中之『×』係指因無法銲接而未進行彎折程序者；由表中可知，610℃/45分鐘之燒結環境可成功銲接，銲接點矽擴散僅至波形散熱鰭片(112)之表面晶界部位，彎折時材料僅有少部分位置剝離(如第七圖所示)，且接合點(銲接處)之拉伸強度大於20MPa，其中第七圖之右圖具有兩個虛線之圈圈，其中左邊的圈圈之局部放大圖即為第七圖之左圖，而右邊的圈圈可清楚看出彎折時材料僅有少部分位置剝離，仍保有銲接性能；而於610℃/60分鐘之燒結環境雖可成功銲接，然矽已擴散至扁形管體(111)(如第八圖所示)，折彎時易造成扁形管體(111)破裂，導致產品不良，同樣地，於第八圖之右圖具兩個虛線之圈圈，其中左邊的圈圈之局部放大圖即為第八圖之左圖，而右邊的圈圈可清楚看出矽擴散至扁形管體；再者，630℃/ 30分鐘之燒結環境可成功銲接，銲接面積狹小，並發現部分位置剝離(如第九圖所示)，而接合點(銲接處)之拉伸強度可大於20MPa；630℃/45分鐘之燒結環境雖可成功銲接，然銲接處具多處位置剝離，銲接點下方扁形管體(111)位置皆可觀察到剝離之缺孔(如第十圖所示)，折彎時易造成扁形管體(111)破裂，導致產品良率低；而630℃/60分鐘之燒結環境所產生之結果(如第十一圖所示)與610℃/60分鐘相似。

由上述之實施說明可知，本發明與現有技術相較之下，本發明具有以下優點：

1.本發明之粗大鋁結晶抑制矽擴散方法藉由低溫擠型提高扁形口琴管體之儲存能，再藉由高溫銲接以誘發粗大晶粒成長，使得扁形管體之平均晶粒徑範圍可大於200μm，以抑制鋁-矽系銲材硬銲時其矽擴散之情形，進一步解決 傳統鋁-矽系銲材因矽擴散而使得熱交換器於實施使用時造成於扁形管體內流通的冷媒藉由銲處裂痕或縫隙逸散的問題發生。

2.本發明之方法製成之熱交換板能以12~30度/秒之彎曲速率進行彎折成L形或ㄇ字形，具有較佳之製程速率以滿足實際生產需求，使得本發明製成的熱交換器能適用於例如室內冷氣空調或較為薄型化之產品上。

綜上所述，本發明之粗大鋁結晶抑制矽擴散方法，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

惟，上述所揭之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。

〈本發明〉

(1)‧‧‧空調散熱器

(11)‧‧‧熱交換板

(111)‧‧‧扁形管體

(112)‧‧‧波形散熱鰭片

(113)‧‧‧孔洞

(12)‧‧‧銲材

(S1)‧‧‧步驟一

(S2)‧‧‧步驟二

(S3)‧‧‧步驟三

〈現有〉

(2)‧‧‧熱交換器

(21)‧‧‧熱交換板

(211)‧‧‧扁形管體

(212)‧‧‧波形散熱鰭片

(22)‧‧‧銲材

第一圖：本發明較佳實施例之步驟流程圖

第二圖：本發明較佳實施例之空調散熱器於熱處理進行時之熱交換板局部剖面示意圖

第三圖：本發明具體實施例未進行硬銲燒結步驟之扁形管體晶粒徑顯微鏡照片圖

第四圖：本發明具體實施例進行硬銲燒結步驟後之扁形管體晶粒徑顯微鏡照片圖

第五圖：本發明具體實施例其銲接處矽擴散被抑制之顯微鏡照片圖

第六圖：本發明方法製成之空調散熱器彎曲成L形之立體外觀示意圖

第七圖：本發明於610℃/45分鐘之燒結環境所製成之熱交換板於扁形管體與波形散熱鰭片接合處之顯微鏡照片圖

第八圖：本發明於610℃/60分鐘之燒結環境所製成之熱交換板於扁形管體與波形散熱鰭片接合處之顯微鏡照片圖

第九圖：本發明於630℃/30分鐘之燒結環境所製成之熱交換板於扁形管體與波形散熱鰭片接合處之顯微鏡照片圖

第十圖：本發明於630℃/45分鐘之燒結環境所製成之熱交換板於扁形管體與波形散熱鰭片接合處之顯微鏡照片圖

第十一圖：本發明於630℃/60分鐘之燒結環境所製成之熱交換板於扁形管體與波形散熱鰭片接合處之顯微鏡照片圖

第十二圖：傳統適用於汽車之熱交換器外觀立體圖

第十三圖：傳統之熱交換板未加熱前之局部剖面示意圖

第十四圖：傳統之熱交換板加熱時之局部剖面示意圖

(S1)‧‧‧步驟一

(S2)‧‧‧步驟二

(S3)‧‧‧步驟三

Claims (8)

1. 一種粗大鋁結晶抑制矽擴散方法，係適用一熱交換板，其方法包括下列步驟：步驟一：將鋁材料擠壓成型為扁形管體，且該擠型溫度係介於攝氏350~480度間，使該扁形管體之平均晶粒徑範圍介於30~100μm之間；步驟二：將波形散熱鰭片夾設於二該扁形管體之間，以形成該熱交換板，其中該波形散熱鰭片係塗佈有鋁-矽系之銲材；以及步驟三：將該熱交換板進行硬銲燒結，燒結溫度係約攝氏610度，時間約45分鐘或約攝氏630度，時間約30分鐘條件下，使該扁形管體與該波形散熱鰭片之接合處達到熔接效果，且該扁形管體之平均晶粒徑範圍大於200μm。
2. 如申請專利範圍第1項所述之粗大鋁結晶抑制矽擴散方法，其中該鋁-矽系銲材之矽擴散平均深度不超過40μm。
3. 如申請專利範圍第1項所述之粗大鋁結晶抑制矽擴散方法，其中該波形散熱鰭片係於美國鋁業協會制定之AA規格中3003心材之一面或雙面接合有4343合金。
4. 如申請專利範圍第1項所述之粗大鋁結晶抑制矽擴散方法，其中該扁形管體內部於沿著擠型方向設有複數個貫穿該扁形管體之孔洞。
5. 如申請專利範圍第4項所述之粗大鋁結晶抑制矽擴散方法，其中該等孔洞係呈獨立且平行。
6. 如申請專利範圍第1項所述之粗大鋁結晶抑制矽擴散方法，藉由該方法形成之熱交換板能以12~30度/秒之彎曲速率進行彎折。
7. 如申請專利範圍第6項所述之粗大鋁結晶抑制矽擴散方法，其中該熱交換板係彎折成L形或ㄇ字形。
8. 如申請專利範圍第6或7項所述之粗大鋁結晶抑制矽擴散方法，其中藉由複數個彎折後之熱交換板，以製造一空調散熱器。