矩形中冷器用铝合金高频焊管制造技术研究

矩形中冷器用铝合金高频焊管制造技术研究
柳博

提示：本文原版含图表pdf版全文下载地址附后（正式会员会看到下载地址）。这里只复制粘贴部分内容或目录（下面显示的字数不代表全文字数）,有任何不清楚的烦请咨询本站客服。

第I页

摘 要
有色金属（这里主要是指铝及铝合金、铜及铜合金）薄壁（0.5～0.25mm）管材
是汽车、空调器、机车、工程机械、船舶等的热交换器（散热器、暖风机、中冷器、
蒸发器、冷凝器油冷器）的关键部件，其在以内燃机为动力的设备中被广泛使用，是
不可缺少的换热元件，其性能的优劣直接影响上述热交换器的性能，也相应影响主机
的性能。中冷器作为现代涡轮增压发动机必不可少的元件，其散热性能及使用寿命直
接影响了发动机的工作过程。而影响中冷器性能及使用寿命中最重要的因素之一是薄
壁覆层铝合金高频焊管的焊接质量，管子一旦发生泄漏，中冷器即失效，而对于铝合
金中冷器来说，修复起来是很困难的。在延长其使用寿命的工作中，薄壁覆层铝合金
高频焊管的制造技术就显得尤为重要。
高频焊接技术以其高质量、高效率、低成本等技术特点在黑色金属管材制造业中
占有重要地位，并逐渐在有色金属制管行业及热交换器行业中普及。本课题在了解和
掌握了高频焊接机理特别是高频感应焊接机理的基础上，对车用发动机中冷器管用薄
壁铝合金管的高频焊接生产技术与存在质量问题做了较为深入的研究。同时结合黑色
金属高频感应焊接的理论，通过对高频焊接 V 形角、带料待焊边缘、挤压量等主要影
响因素及焊接工艺参数的研究，确定了矩形铝合金高频焊中冷器管最佳焊接工艺参
数；明确了焊缝缺陷和造成焊缝质量问题的根本原因，并通过对矩形铝合金高频焊中
冷器管焊接工艺方法的研究，提出了焊接质量控制和稳定生产的主要措施。

关键词：中冷器管；高频焊接；工艺参数；质量控制 第II页

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
……（新文秘网https://www.wm114.cn省略2665字，正式会员可完整阅读）……　
..................................18
3.2.2 V 形角 .................................18
3.2.3 焊接的方式.........................20
3.2.4 电源输出功率.....................20
3.2.5 管坯边缘形状.....................21
3.2.6 焊速.....................................21
3.2.7 阻抗器.................................21
3.2.8 焊接压力.............................22
3.3 本章小结.....................................22
第四章 成型机组设计.............................23
4.1 设计步骤.....................................23 第IV页

4.1.1 坯料宽度............................. 23
4.1.2 成型道次数及弯曲角的分配........................... 24
4.1.3 各道次断面尺寸的计算..... 24
4.1.4 作出辊花图......................... 25
4.1.5 设计轧辊孔型..................... 26
4.1.6 孔型分类及优缺点............. 27
4.1.7 成型辊材料的选取............. 28
4.2 本章小结..................................... 29
第五章 生产工艺参数及质量控制.........30
5.1 实验方案、可行性及结果分析. 30
5.1.1 实验方案............................ 30
5.1.2 实验可行性......................... 30
5.1.3 实验材料及结果................ 31
5.2 实验结果分析............................. 35
5.3 本章小结..................................... 35
第六章 焊管质量评估及典型缺陷的分析...........................36
6.1 焊管质量评估............................. 36
6.2 确定标准压力值......................... 37
6.3 生产中常见缺陷与原因分析.... 37
6.3.1 搭边..................................... 37
6.3.2 漏焊..................................... 40
6.3.3 表面划痕............................. 40
6.3.4 其他缺陷............................. 42
6.4 本章小结..................................... 42
第七章 结论与展望.................................43
7.1 结论............................................ 43
7.2 展望............................................ 43
参考文献.....44
致谢.............46
硕士期间发表的论文...............................47第1页

第一章 绪论
1.1 开发汽车中冷器用铝合金高频焊管的意义
为了弄清楚发展汽车中冷器用铝合金高频焊管的重大意义就要首先了解中冷器
的功能及其工作环境。
具体的说，自从涡轮增压诞生以来，中冷器就成了涡轮增压发动机必不可少的部
分，涡轮增压是依靠发动机排出废气的压力催动排气叶进而带动进气叶压缩空气以提
高气缸的充气率的措施。由发动机排出的废气一般在 800℃左右，再加上涡轮本身就
处于高温中，导致通过它的气体被迅速加热，而空气被压缩的过程中也会升温，所以
最终气体的温度是远远高于 800℃
[1]
的，如此高温的气体进入燃烧室将会导致发动机
燃烧温度较高，汽油将会发生预燃烧而带来发动机爆震，这又进一步导致了发动机温
度的上升。在燃油经济性方面，压缩的空气因为过热会加速膨胀，从而很大程度上的
降低了吸入空气的氧含量，这样就会把增压变成了无用功，不能得到期望的动力性。
而且高温会严重的影响发动机寿命，如果不能避免高温状态，发动机将会在气温较高
或是长时间运转时发生故障，所以我们需要在发动机气缸和压缩空气之间加装一个冷
却装置，这就是中冷器的由来。

图 1.1 中冷器结构
如图所示横置的较宽的通道我们称之为 tube，即我们本文要研究的中冷器管，其
作用是在压缩空气和发动机气缸之间提供一个通道，由此可知我们研究的中冷器管需
要满足密闭耐压的条件才不会导致压缩空气的泄压，中冷器管的截面分为椭圆、三角
形、矩形等多种形状，厂家需根据其不同的空气阻力及散热效率进行取舍，本文主要
研究的是矩形截面中冷器管。两中冷器管之间的波纹状的宽幅铝带被称为 Fin，它通
常情况下通过钎焊工艺与中冷器管焊合在一起的，其功用是将中冷器管的表面热量传第2页

递到它上面，波纹状的铝带极大的增加了与空气的接触面积，从而很大程度上增加了
散热效率。这种焊接的结构经过多次层叠就构成了中冷器的主要部分，经过中冷器的
散热处理后再进入气缸的压缩空气一般可达到与外界温度相近的效果。

图 1.2 中冷器工作工程
由于这个散热器位于发动机和增压器之间，所以又称作中间冷却器，简称中冷器。
经过增压后的引擎比未增压的引擎有着更好的动力输出，究其原因就是因为增压
保证了更多的空气进入气缸这为燃油的燃烧提供了更好的条件。空气的温度越低被压
缩的密度就越高进而吸入气缸的空气就越多。若没有中冷器的冷却而直接让高温气体
进入发动机，就会导致发动机因温度过高而停机或损坏，而加装了中冷器的发动机除
了能避免这种情况外还会有以下优点：
1） 有实验证实，在空燃比一样的情况下，压缩空气每降低 10℃，引擎的功率就
会随之升高 3%～5%。
2） 温度过高的空气进入气缸不仅会导致气缸的充气率降低，还会因为温度过高而
导致发动机爆震，且高温为 NO
*
的生成创造了条件，造成了环境污染。
3） 由于压缩的空气增大了燃烧室内的含氧量使燃油能够充分的燃烧，达到了用更
少的然油做更多的功的效果，明显的提高了燃油经济性。
4）提高对海拔高度的适应性。在高海拔地区，采用中冷措施可使用更高压比的压
气机，这使发动机得到更大功率，提高了汽车的适应性。
5）改善增压器的匹配和适应性。
随着发动机性能的不断提高其对散热系统的要求也不断提高，这促进了汽车散热
技术的发展。而铝材以其质量轻、散热快、价格廉的优点逐渐取缔了铜材在乘用车上
的地位。但随着高频焊接技术逐步引进有色金属制造业，铜质散热材料的发展也尤为 第3页

明显，其在商用车领域依然占有主导地位。经查阅资料知，国外在乘用车散热系的铝
化上已比较成熟，铝在欧美在产轿车的散热系中所占的比例已达 64%
[2]
。国内的车用
铝散热用材也在不断增加。铜散热用材在商用车及工程机械上的利用率也在逐年递
增。
综上所述可知，中冷器管是在长期循环高温高压的情况下工作的部件，如果是水
冷式中冷器，由于冷却液的质量问题还会伴有不同程度的腐蚀问题。
但铝合金散热管具有热交换效率高、质量轻等优点，所以各发达国家经过几十年
的发展已突破很多技术难点，现在国外热交换器行业中已大量的使用了铝材。如图 1.3
所示为欧美日铝散热器在过去 25 年的发展历程
[3]
。

图 1.3 各国铝散热器市场份额
由图可以看出铝合金散热器在很短的时间内，在各工业化国家达到一个非常高的
市场份额。但我国在 2000 年的时候还没有一家企业能够以完全自主的知识产权来生
产铝质薄壁（t=0.3mm）散热用材。国内商用车、工程机械等大型设备所用散热管材
均由国外进口或由国外进口生产线生产，虽然现在国内有自主开发的制管线，但产品
品种单一、成品率较低、产量较小
[4]
，还不能满足我国汽车行业的需求。在此之前我
国在相关领域内的散热用材均由寿命低，散热性能差的挤压管材或者咬口焊管替代。
由其制成的散热器不仅成本很高，而且使用寿命短，散热性能差，由高频焊接生产的
管材与之相比，不仅重量轻，散热效率高，而且寿命可以提高数倍
[5]
。
另外，以节能减排的方面来看，增加汽车的铝化率也是实现汽车轻量化的主要途
径，将高价的铜材替代为低廉的铝材也是降低汽车造价的另一途径。经查阅资料获知
[6]
从上世纪七十年代至今，欧美在轿车散热系统轻量化上已有了很大进步，减重在 5～
7kg，平均占车重的 1%，节能达 0.1/100km，单从该项数据可能无法看出其节能的效
果，但从国家汽车保有量的数字来计算的话，该措施每年为国家节省燃油的效果就可
见一斑了。随着近年来国家节能及排放标准的提高、铜价的飞涨、汽车轻量化要求等第4页

因素，散热系统用材必然将改用铝及其合金材料。
在我国随着部分车型的国产化，铝散热管的研究开发才刚刚开始，由于尚未开展
大规模的研究工作，很大程度上导致了国产轿车的发展滞后。而相比之下，国外散热
系统铝化技术已经相当成熟了，不论铝散热用基础材料的研发还是各种规格散热用管
的制造技术，都能保证散热系统铝化的顺利进行。目前高性能、低价格的铝散热用管，
国外设计及制造壁厚已达到 0.2~0.4mm
[7]
，几何尺寸已经相当完善，是挤压、拉制管
水平目前难以做到的。
为了改变我国汽车散热用管依靠进口的局面，打破国外对散热用管的市场及价格
垄断，摆在我们面前的一个重要任务就是使高频焊接特薄壁管材制造技术的国产化，
形成独立自主的散热用管材研究开发体系，达到性能优异、质量可靠、价格低廉、规
格品种齐全，并能大批量稳定生产。因此我们研究汽车散热用有色金属特薄壁铝管高
频焊接技术，不仅可以代替进口，还可促进热交换器行业的技术进步，提高行业散热
器生产的技术水平。
1.2 国外现状及发展趋势
有着质量轻、散热好、价格低的铝材一直是散热行业所亲睐的材料，尽管在用材、
产品规格等方面各个厂家的要求有所不同，但在管材的制造上一般都将高频焊作为最
理想的生产工艺。下面主要对高频焊接的发展过程及优点加以介绍。
1.2.1 汽车散热用多层复合铝合金管材的制造技术
轻量化已经成为汽车节能减排的重点领域，其中提高汽车的铝化率是降低车重的
关键技术，因此国外近几十年在散热系统铝化的研究上投入了大量的人力物力，其在
汽车散热系统铝化上的技术已很成熟，领先国内很多。
而散热系统的铝化的关键技术就在铝合金薄壁高频焊管的制造技术，国外自上世
纪 90 年代开始大力研究该项技术
[8]
，至今已取得很大成果，在板、带、管材的设计、
制造和规格、品种上已形成成熟体系，且已形成光机电一体化、计算机控制的成套高
速生产线，其完善的生产工艺已经能满足其汽车行业的需求，且有部分产品出口至国
外，取得了巨大的经济效益，相反，国内长期依赖进口或者采用有缺陷的制造工艺造
成了成本的上涨。
（1）国外铝合金高频焊管的发展
在上世纪 60 年代之前汽车散热系的用材基本是铜质的，自 70 年代后由于能源危
机和铜价的高涨
[9]
，人们对廉价、轻量、性能好的散热系统有了迫切的需求，铝制散
热系由此应运而生。
而高频焊接生产技术有着高速、高质等其他生产方法不可比拟的优点，所以工业
化比较发达的国家都投入了大量的物力财力研究，并取得了骄人的成绩。
高频焊接还可以焊接多层复合金属材料，这为铝合金管材的防腐蚀性能提供了途 第5页

径。在解决铝制管材强度低的问题上又可采用高频焊接铝镁材料的方法，因为 Mg 在
之后钎焊的过程中_入芯材起到强化效果，切不至于影响钎焊。
目前国外铜质材料的焊接厚度可达 0.0889 mm，铝质的达到 0.20 mm
[10]
,与挤压拉
制管相比相同尺寸下的管子由于高频焊管的管壁更薄，内径更大，所以与压缩热空气
的接触面积更大，散热效果更好。如果想增加散热效果还可以在管子表面增加如图 1-4
所示的凸凹的纹路增加其紊流效果。

图 1.4 可增加紊流效果的管材
（2）国外高频焊接装备
一条成熟的高频焊管生产线是由多套设备组成的，如：高频电源、成型轧辊和机
架、较直机组、整形机组、飞剪、质检及控制系统。能否生产出高质量的焊管，其决
定因素之一就是高频电源的性能是否稳定可靠，其输出功率、振荡频率的稳定性以及
输出波形质量直接影响着焊管的质量。美国 THERMATOOL 公司是国际知名 ……（未完，全文共41607字，当前仅显示7483字，请阅读下面提示信息。收藏《矩形中冷器用铝合金高频焊管制造技术研究》）