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

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
金中冷器來說，修復(fù)起來是很困難的。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)量問題的根本原因，并通過對(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

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.jey722.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

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

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，自從渦輪增壓誕生以來，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)致通過它的氣體被迅速加熱，而空氣被壓縮的過程中也會(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^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。

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

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)過多次層疊就構(gòu)成了中冷器的主要部分，經(jīng)過中冷器的
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�？諝獾臏囟仍降捅粔�
縮的密度就越高進(jìn)而吸入氣缸的空氣就越多。若沒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^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

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)量問題還會(huì)伴有不同程度的腐蝕問題。
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)候還沒有一家企業(yè)能夠以完全自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)來生
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
見一斑了。隨著近年來國(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

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

徑。在解決鋁制管材強(qiáng)度低的問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》）