矩形中冷器用鋁合金高頻焊管制造技術(shù)研究

矩形中冷器用鋁合金高頻焊管制造技術(shù)研究
柳博

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第I頁(yè)

摘 要
有色金屬（這里主要是指鋁及鋁合金、銅及銅合金）薄壁（0.5～0.25mm）管材
是汽車、空調(diào)器、機(jī)車、工程機(jī)械、船舶等的熱交換器（散熱器、暖風(fēng)機(jī)、中冷器、
蒸發(fā)器、冷凝器油冷器）的關(guān)鍵部件，其在以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的設(shè)備中被廣泛使用，是
不可缺少的換熱元件，其性能的優(yōu)劣直接影響上述熱交換器的性能，也相應(yīng)影響主機(jī)
的性能。中冷器作為現(xiàn)代渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)必不可少的元件，其散熱性能及使用壽命直
接影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程。而影響中冷器性能及使用壽命中最重要的因素之一是薄
壁覆層鋁合金高頻焊管的焊接質(zhì)量，管子一旦發(fā)生泄漏，中冷器即失效，而對(duì)于鋁合
金中冷器來(lái)說(shuō)，修復(fù)起來(lái)是很困難的。在延長(zhǎng)其使用壽命的工作中，薄壁覆層鋁合金
高頻焊管的制造技術(shù)就顯得尤為重要。
高頻焊接技術(shù)以其高質(zhì)量、高效率、低成本等技術(shù)特點(diǎn)在黑色金屬管材制造業(yè)中
占有重要地位，并逐漸在有色金屬制管行業(yè)及熱交換器行業(yè)中普及。本課題在了解和
掌握了高頻焊接機(jī)理特別是高頻感應(yīng)焊接機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)車用發(fā)動(dòng)機(jī)中冷器管用薄
壁鋁合金管的高頻焊接生產(chǎn)技術(shù)與存在質(zhì)量問(wèn)題做了較為深入的研究。同時(shí)結(jié)合黑色
金屬高頻感應(yīng)焊接的理論，通過(guò)對(duì)高頻焊接 V 形角、帶料待焊邊緣、擠壓量等主要影
響因素及焊接工藝參數(shù)的研究，確定了矩形鋁合金高頻焊中冷器管最佳焊接工藝參
數(shù)；明確了焊縫缺陷和造成焊縫質(zhì)量問(wèn)題的根本原因，并通過(guò)對(duì)矩形鋁合金高頻焊中
冷器管焊接工藝方法的研究，提出了焊接質(zhì)量控制和穩(wěn)定生產(chǎn)的主要措施。

關(guān)鍵詞：中冷器管；高頻焊接；工藝參數(shù)；質(zhì)量控制 第II頁(yè)

Abstract
Non-ferrous metals （here mainly refers to aluminum and aluminum alloy, copper and
copper alloy） special thin-walled tubes is widely used as the heat e*changers of motor
vehicles, air-conditioner, motorcycle, engineering machinery, ships and other equipment
with combustion engine-powered（For e*ample, radiators, heaters, cooler, evaporator,
condenser oil cooler）, as an indispensable components of heat e*changers, its performance
directly affects the performance of the heat e*changers, but also influences the performance
of the main engine. one of the most important factors that affects the service life of
aluminum radiators is the welding quality of thin-walled aluminum tubes, Once the tubes
leaked, the radiator would be failure, and it is very difficult to repair t
……（新文秘網(wǎng)http://m.120pk.cn省略2665字，正式會(huì)員可完整閱讀）……　
..................................18
3.2.2 V 形角 .................................18
3.2.3 焊接的方式.........................20
3.2.4 電源輸出功率.....................20
3.2.5 管坯邊緣形狀.....................21
3.2.6 焊速.....................................21
3.2.7 阻抗器.................................21
3.2.8 焊接壓力.............................22
3.3 本章小結(jié).....................................22
第四章 成型機(jī)組設(shè)計(jì).............................23
4.1 設(shè)計(jì)步驟.....................................23 第IV頁(yè)

4.1.1 坯料寬度............................. 23
4.1.2 成型道次數(shù)及彎曲角的分配........................... 24
4.1.3 各道次斷面尺寸的計(jì)算..... 24
4.1.4 作出輥花圖......................... 25
4.1.5 設(shè)計(jì)軋輥孔型..................... 26
4.1.6 孔型分類及優(yōu)缺點(diǎn)............. 27
4.1.7 成型輥材料的選取............. 28
4.2 本章小結(jié)..................................... 29
第五章 生產(chǎn)工藝參數(shù)及質(zhì)量控制.........30
5.1 實(shí)驗(yàn)方案、可行性及結(jié)果分析. 30
5.1.1 實(shí)驗(yàn)方案............................ 30
5.1.2 實(shí)驗(yàn)可行性......................... 30
5.1.3 實(shí)驗(yàn)材料及結(jié)果................ 31
5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析............................. 35
5.3 本章小結(jié)..................................... 35
第六章 焊管質(zhì)量評(píng)估及典型缺陷的分析...........................36
6.1 焊管質(zhì)量評(píng)估............................. 36
6.2 確定標(biāo)準(zhǔn)壓力值......................... 37
6.3 生產(chǎn)中常見(jiàn)缺陷與原因分析.... 37
6.3.1 搭邊..................................... 37
6.3.2 漏焊..................................... 40
6.3.3 表面劃痕............................. 40
6.3.4 其他缺陷............................. 42
6.4 本章小結(jié)..................................... 42
第七章 結(jié)論與展望.................................43
7.1 結(jié)論............................................ 43
7.2 展望............................................ 43
參考文獻(xiàn).....44
致謝.............46
碩士期間發(fā)表的論文...............................47第1頁(yè)

第一章 緒論
1.1 開發(fā)汽車中冷器用鋁合金高頻焊管的意義
為了弄清楚發(fā)展汽車中冷器用鋁合金高頻焊管的重大意義就要首先了解中冷器
的功能及其工作環(huán)境。
具體的說(shuō)，自從渦輪增壓誕生以來(lái)，中冷器就成了渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)必不可少的部
分，渦輪增壓是依靠發(fā)動(dòng)機(jī)排出廢氣的壓力催動(dòng)排氣葉進(jìn)而帶動(dòng)進(jìn)氣葉壓縮空氣以提
高氣缸的充氣率的措施。由發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣一般在 800℃左右，再加上渦輪本身就
處于高溫中，導(dǎo)致通過(guò)它的氣體被迅速加熱，而空氣被壓縮的過(guò)程中也會(huì)升溫，所以
最終氣體的溫度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 800℃
[1]
的，如此高溫的氣體進(jìn)入燃燒室將會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)
燃燒溫度較高，汽油將會(huì)發(fā)生預(yù)燃燒而帶來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震，這又進(jìn)一步導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)溫
度的上升。在燃油經(jīng)濟(jì)性方面，壓縮的空氣因?yàn)檫^(guò)熱會(huì)加速膨脹，從而很大程度上的
降低了吸入空氣的氧含量，這樣就會(huì)把增壓變成了無(wú)用功，不能得到期望的動(dòng)力性。
而且高溫會(huì)嚴(yán)重的影響發(fā)動(dòng)機(jī)壽命，如果不能避免高溫狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)在氣溫較高
或是長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生故障，所以我們需要在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸和壓縮空氣之間加裝一個(gè)冷
卻裝置，這就是中冷器的由來(lái)。

圖 1.1 中冷器結(jié)構(gòu)
如圖所示橫置的較寬的通道我們稱之為 tube，即我們本文要研究的中冷器管，其
作用是在壓縮空氣和發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸之間提供一個(gè)通道，由此可知我們研究的中冷器管需
要滿足密閉耐壓的條件才不會(huì)導(dǎo)致壓縮空氣的泄壓，中冷器管的截面分為橢圓、三角
形、矩形等多種形狀，廠家需根據(jù)其不同的空氣阻力及散熱效率進(jìn)行取舍，本文主要
研究的是矩形截面中冷器管。兩中冷器管之間的波紋狀的寬幅鋁帶被稱為 Fin，它通
常情況下通過(guò)釬焊工藝與中冷器管焊合在一起的，其功用是將中冷器管的表面熱量傳第2頁(yè)

遞到它上面，波紋狀的鋁帶極大的增加了與空氣的接觸面積，從而很大程度上增加了
散熱效率。這種焊接的結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)多次層疊就構(gòu)成了中冷器的主要部分，經(jīng)過(guò)中冷器的
散熱處理后再進(jìn)入氣缸的壓縮空氣一般可達(dá)到與外界溫度相近的效果。

圖 1.2 中冷器工作工程
由于這個(gè)散熱器位于發(fā)動(dòng)機(jī)和增壓器之間，所以又稱作中間冷卻器，簡(jiǎn)稱中冷器。
經(jīng)過(guò)增壓后的引擎比未增壓的引擎有著更好的動(dòng)力輸出，究其原因就是因?yàn)樵鰤?br>保證了更多的空氣進(jìn)入氣缸這為燃油的燃燒提供了更好的條件。空氣的溫度越低被壓
縮的密度就越高進(jìn)而吸入氣缸的空氣就越多。若沒(méi)有中冷器的冷卻而直接讓高溫氣體
進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，就會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)因溫度過(guò)高而停機(jī)或損壞，而加裝了中冷器的發(fā)動(dòng)機(jī)除
了能避免這種情況外還會(huì)有以下優(yōu)點(diǎn)：
1） 有實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在空燃比一樣的情況下，壓縮空氣每降低 10℃，引擎的功率就
會(huì)隨之升高 3%～5%。
2） 溫度過(guò)高的空氣進(jìn)入氣缸不僅會(huì)導(dǎo)致氣缸的充氣率降低，還會(huì)因?yàn)闇囟冗^(guò)高而
導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)爆震，且高溫為 NO
*
的生成創(chuàng)造了條件，造成了環(huán)境污染。
3） 由于壓縮的空氣增大了燃燒室內(nèi)的含氧量使燃油能夠充分的燃燒，達(dá)到了用更
少的然油做更多的功的效果，明顯的提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。
4）提高對(duì)海拔高度的適應(yīng)性。在高海拔地區(qū)，采用中冷措施可使用更高壓比的壓
氣機(jī)，這使發(fā)動(dòng)機(jī)得到更大功率，提高了汽車的適應(yīng)性。
5）改善增壓器的匹配和適應(yīng)性。
隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高其對(duì)散熱系統(tǒng)的要求也不斷提高，這促進(jìn)了汽車散熱
技術(shù)的發(fā)展。而鋁材以其質(zhì)量輕、散熱快、價(jià)格廉的優(yōu)點(diǎn)逐漸取締了銅材在乘用車上
的地位。但隨著高頻焊接技術(shù)逐步引進(jìn)有色金屬制造業(yè)，銅質(zhì)散熱材料的發(fā)展也尤為 第3頁(yè)

明顯，其在商用車領(lǐng)域依然占有主導(dǎo)地位。經(jīng)查閱資料知，國(guó)外在乘用車散熱系的鋁
化上已比較成熟，鋁在歐美在產(chǎn)轎車的散熱系中所占的比例已達(dá) 64%
[2]
。國(guó)內(nèi)的車用
鋁散熱用材也在不斷增加。銅散熱用材在商用車及工程機(jī)械上的利用率也在逐年遞
增。
綜上所述可知，中冷器管是在長(zhǎng)期循環(huán)高溫高壓的情況下工作的部件，如果是水
冷式中冷器，由于冷卻液的質(zhì)量問(wèn)題還會(huì)伴有不同程度的腐蝕問(wèn)題。
但鋁合金散熱管具有熱交換效率高、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，所以各發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)過(guò)幾十年
的發(fā)展已突破很多技術(shù)難點(diǎn)，現(xiàn)在國(guó)外熱交換器行業(yè)中已大量的使用了鋁材。如圖 1.3
所示為歐美日鋁散熱器在過(guò)去 25 年的發(fā)展歷程
[3]
。

圖 1.3 各國(guó)鋁散熱器市場(chǎng)份額
由圖可以看出鋁合金散熱器在很短的時(shí)間內(nèi)，在各工業(yè)化國(guó)家達(dá)到一個(gè)非常高的
市場(chǎng)份額。但我國(guó)在 2000 年的時(shí)候還沒(méi)有一家企業(yè)能夠以完全自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)來(lái)生
產(chǎn)鋁質(zhì)薄壁（t=0.3mm）散熱用材。國(guó)內(nèi)商用車、工程機(jī)械等大型設(shè)備所用散熱管材
均由國(guó)外進(jìn)口或由國(guó)外進(jìn)口生產(chǎn)線生產(chǎn)，雖然現(xiàn)在國(guó)內(nèi)有自主開發(fā)的制管線，但產(chǎn)品
品種單一、成品率較低、產(chǎn)量較小
[4]
，還不能滿足我國(guó)汽車行業(yè)的需求。在此之前我
國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的散熱用材均由壽命低，散熱性能差的擠壓管材或者咬口焊管替代。
由其制成的散熱器不僅成本很高，而且使用壽命短，散熱性能差，由高頻焊接生產(chǎn)的
管材與之相比，不僅重量輕，散熱效率高，而且壽命可以提高數(shù)倍
[5]
。
另外，以節(jié)能減排的方面來(lái)看，增加汽車的鋁化率也是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的主要途
徑，將高價(jià)的銅材替代為低廉的鋁材也是降低汽車造價(jià)的另一途徑。經(jīng)查閱資料獲知
[6]
從上世紀(jì)七十年代至今，歐美在轎車散熱系統(tǒng)輕量化上已有了很大進(jìn)步，減重在 5～
7kg，平均占車重的 1%，節(jié)能達(dá) 0.1/100km，單從該項(xiàng)數(shù)據(jù)可能無(wú)法看出其節(jié)能的效
果，但從國(guó)家汽車保有量的數(shù)字來(lái)計(jì)算的話，該措施每年為國(guó)家節(jié)省燃油的效果就可
見(jiàn)一斑了。隨著近年來(lái)國(guó)家節(jié)能及排放標(biāo)準(zhǔn)的提高、銅價(jià)的飛漲、汽車輕量化要求等第4頁(yè)

因素，散熱系統(tǒng)用材必然將改用鋁及其合金材料。
在我國(guó)隨著部分車型的國(guó)產(chǎn)化，鋁散熱管的研究開發(fā)才剛剛開始，由于尚未開展
大規(guī)模的研究工作，很大程度上導(dǎo)致了國(guó)產(chǎn)轎車的發(fā)展滯后。而相比之下，國(guó)外散熱
系統(tǒng)鋁化技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟了，不論鋁散熱用基礎(chǔ)材料的研發(fā)還是各種規(guī)格散熱用管
的制造技術(shù)，都能保證散熱系統(tǒng)鋁化的順利進(jìn)行。目前高性能、低價(jià)格的鋁散熱用管，
國(guó)外設(shè)計(jì)及制造壁厚已達(dá)到 0.2~0.4mm
[7]
，幾何尺寸已經(jīng)相當(dāng)完善，是擠壓、拉制管
水平目前難以做到的。
為了改變我國(guó)汽車散熱用管依靠進(jìn)口的局面，打破國(guó)外對(duì)散熱用管的市場(chǎng)及價(jià)格
壟斷，擺在我們面前的一個(gè)重要任務(wù)就是使高頻焊接特薄壁管材制造技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化，
形成獨(dú)立自主的散熱用管材研究開發(fā)體系，達(dá)到性能優(yōu)異、質(zhì)量可靠、價(jià)格低廉、規(guī)
格品種齊全，并能大批量穩(wěn)定生產(chǎn)。因此我們研究汽車散熱用有色金屬特薄壁鋁管高
頻焊接技術(shù)，不僅可以代替進(jìn)口，還可促進(jìn)熱交換器行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，提高行業(yè)散熱
器生產(chǎn)的技術(shù)水平。
1.2 國(guó)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
有著質(zhì)量輕、散熱好、價(jià)格低的鋁材一直是散熱行業(yè)所親睞的材料，盡管在用材、
產(chǎn)品規(guī)格等方面各個(gè)廠家的要求有所不同，但在管材的制造上一般都將高頻焊作為最
理想的生產(chǎn)工藝。下面主要對(duì)高頻焊接的發(fā)展過(guò)程及優(yōu)點(diǎn)加以介紹。
1.2.1 汽車散熱用多層復(fù)合鋁合金管材的制造技術(shù)
輕量化已經(jīng)成為汽車節(jié)能減排的重點(diǎn)領(lǐng)域，其中提高汽車的鋁化率是降低車重的
關(guān)鍵技術(shù)，因此國(guó)外近幾十年在散熱系統(tǒng)鋁化的研究上投入了大量的人力物力，其在
汽車散熱系統(tǒng)鋁化上的技術(shù)已很成熟，領(lǐng)先國(guó)內(nèi)很多。
而散熱系統(tǒng)的鋁化的關(guān)鍵技術(shù)就在鋁合金薄壁高頻焊管的制造技術(shù)，國(guó)外自上世
紀(jì) 90 年代開始大力研究該項(xiàng)技術(shù)
[8]
，至今已取得很大成果，在板、帶、管材的設(shè)計(jì)、
制造和規(guī)格、品種上已形成成熟體系，且已形成光機(jī)電一體化、計(jì)算機(jī)控制的成套高
速生產(chǎn)線，其完善的生產(chǎn)工藝已經(jīng)能滿足其汽車行業(yè)的需求，且有部分產(chǎn)品出口至國(guó)
外，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，相反，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)期依賴進(jìn)口或者采用有缺陷的制造工藝造
成了成本的上漲。
（1）國(guó)外鋁合金高頻焊管的發(fā)展
在上世紀(jì) 60 年代之前汽車散熱系的用材基本是銅質(zhì)的，自 70 年代后由于能源危
機(jī)和銅價(jià)的高漲
[9]
，人們對(duì)廉價(jià)、輕量、性能好的散熱系統(tǒng)有了迫切的需求，鋁制散
熱系由此應(yīng)運(yùn)而生。
而高頻焊接生產(chǎn)技術(shù)有著高速、高質(zhì)等其他生產(chǎn)方法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，所以工業(yè)
化比較發(fā)達(dá)的國(guó)家都投入了大量的物力財(cái)力研究，并取得了驕人的成績(jī)。
高頻焊接還可以焊接多層復(fù)合金屬材料，這為鋁合金管材的防腐蝕性能提供了途 第5頁(yè)

徑。在解決鋁制管材強(qiáng)度低的問(wèn)題上又可采用高頻焊接鋁鎂材料的方法，因?yàn)?Mg 在
之后釬焊的過(guò)程中_入芯材起到強(qiáng)化效果，切不至于影響釬焊。
目前國(guó)外銅質(zhì)材料的焊接厚度可達(dá) 0.0889 mm，鋁質(zhì)的達(dá)到 0.20 mm
[10]
,與擠壓拉
制管相比相同尺寸下的管子由于高頻焊管的管壁更薄，內(nèi)徑更大，所以與壓縮熱空氣
的接觸面積更大，散熱效果更好。如果想增加散熱效果還可以在管子表面增加如圖 1-4
所示的凸凹的紋路增加其紊流效果。

圖 1.4 可增加紊流效果的管材
（2）國(guó)外高頻焊接裝備
一條成熟的高頻焊管生產(chǎn)線是由多套設(shè)備組成的，如：高頻電源、成型軋輥和機(jī)
架、較直機(jī)組、整形機(jī)組、飛剪、質(zhì)檢及控制系統(tǒng)。能否生產(chǎn)出高質(zhì)量的焊管，其決
定因素之一就是高頻電源的性能是否穩(wěn)定可靠，其輸出功率、振蕩頻率的穩(wěn)定性以及
輸出波形質(zhì)量直接影響著焊管的質(zhì)量。美國(guó) THERMATOOL 公司是國(guó)際知名 ……（未完，全文共41607字，當(dāng)前僅顯示7483字，請(qǐng)閱讀下面提示信息。收藏《矩形中冷器用鋁合金高頻焊管制造技術(shù)研究》）