熱交換器用鋁箔沖制加工失效問題分析

莘明哲 汪娓 陸亮 喬雨凡

摘要：針對鋁箔在換熱器加工過程中主要的失效模式進行分析，明確其發生機理和對應的質量特性指標。針對性的指導失效問題的改善。同時通過全面的力學性能試驗，對現有鋁合金牌號狀態綜合對比分析強度、塑性、加工硬化指數和各向異性度，明確產品的優勢及劣勢。結合鋁箔沖制加工的成型特點進行合金狀態匹配，可以對現有翅片成型方式實現更好的適應。

關鍵詞：換熱器鋁箔;翅片;失效分析

熱交換器是空氣調節系統的主要部件，其主要結構為管翅式換熱器和板翅式換熱器，管翅式換熱器由銅管和0.08mm～0.35mm厚度的鋁合金沖壓加工的翅片通過脹接與銅管緊密結合，銅管內部的流體換熱介質通過壁間換熱與外界空氣進行熱交換。目前管翅式結構的換熱器在家用及商用市場仍占據主要份額。此類換熱器鋁箔可用于家用空調（戶式中央空調+室外機、掛壁機+室外機、柜機+室外機、窗式一體機）以及商用類型空調（商場、運動館、醫院等）。其典型的空調翅片換熱器結構如圖1所示。

隨著換熱器鋁箔翅片沖制加工市場的發展，在目前品牌客戶追求良品率及速度效率的趨勢下，鋁箔基材發展需要滿足更廣的適應性以及綜合性能更優異的合金[1]。作為空調鋁箔生產企業，需要針對現有主要鋁合金牌號在各類沖制加工中的失效狀況進行綜合分析。

1? 鋁箔在管翅式換熱器翅片成形過程中的失效問題

1.1翅片端面失效問題

翅片加工過程的側面（刀切面）通常發生的失效分為兩類：列切毛刺（圖3）和側面波浪紋問題（圖4）。毛刺主要是沖床設備在生產時因為刀的磨損及上下刀之間產生間隙造成的。測量切刀間隙，并根據翅片的走向判定是哪一列刀哪個位置出現了偏差，對應部位進行調整基本可解決該問題。對于鋁箔本身來講，需注意跟蹤觀察表面嚴重波浪或筋印缺陷對應部位是否產生毛刺。同樣端面波浪紋問題本質上屬于翅片寬度方向裁切尺寸偏差或翹曲。首先也需排查切刀間隙[2]，如果更換鋁箔材料后發生需要分析鋁箔強度以及厚差情況與正常卷的差異，鋁箔更高的強度和正公差有助于緩解該問題 。

1.2 鋁箔表面類缺陷導致的失效問題

翅片加工是針對鋁箔表面進行的全面加工，其利用率大于99%，因此對鋁箔表面質量的一致性要求很高。因為鋁箔表面缺陷導致的加工失效主要是沖壓粉屑和表面傷痕開裂。其中粉屑的產生從在沖床中的失效部位分析，依次可分為放卷毛氈處、進料油槽壓板處、脹形過程、變薄拉深過程、裁切過程共五處風險較高。其中前三處發生的失效多為鋁箔表面膜層過厚或烘烤固化不當導致，表面有機樹脂涂層或無機硅酸鹽涂層固化不足與油反應粘連、固化過度摩擦脫粉都會造成該情況。變薄拉深和裁切過程中的粉屑問題的失效原因更為綜合，除了膜厚固化之外，鋁箔加工中的起皺以及沖孔邊部斷口殘留也會造成粉屑產生。需要對應改善合金的屈服強度及與均勻變形相關的指標n值。

1.3 裂口和爛孔失效問題

翅片加工開裂是發生度最高的失效問題，針對該問題需要結合現場的加工情況進行分析判斷。我司技術團隊在長期工作實踐中整理了典型的失效機理和處理方式見表1。

2 鋁箔力學性能的綜合分析

常規工業生產過程中，鋁箔抗拉強度和延伸率是重點管控指標。對于提升鋁箔的綜合適應能力和穩定性的要求，后續又增加了橫縱向指標、屈服強度指標的分析[3]。在與沖床模具設計技術團隊多次合作后，我公司結合模具設計階段對于脹形力、沖裁力、翻邊力等參數的受力分析，探討了對應各加工步驟主要考量的力學性能指標（表2）。 通過各產品在沖制加工過程中的的開裂表現，進行綜合分析后將反映薄板成形時厚向變形的難易程度的r值[4]，影響塑性均勻變形階段長短的n值也納入了綜合對比指標[5]內。

3? 結論

1）鋁箔在模具中發生端面失效問題主要在于切刀間隙調整，同時需要分析鋁箔強度以及厚差情況差異性。

2）鋁箔在模具中發生表面失效問題主要在涂層的固化程度以及材料屈服強度與n值和沖制模具的匹配度。

3）結合鋁箔在模具中的成型過程，針對鋁箔的力學性能評價需要增加結合屈服強度以及r值n值，進行綜合的評價的匹配選擇。

參考文獻：

[1] 靳林寶.空調鋁箔翅片成型過程缺陷簡析[J].輕合金加工技術，2011，39（5）：55-56.

[2] 胡玄通，夏琴香，龍曉彬.空調換熱器翅片多工位級進模設計[J].模具制造，2013，（11）：11-14.

[3] 蔡春波.1050鋁合金形變和再結晶過程中的織構演變研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2009.

[4] 李松瑞，周善初.金屬熱處理[M].長沙：中南大學出版社，2003.

[5] 陳冠.AA3003鑄軋鋁合金退火過程中析出與再結晶的交互作用[D].長沙：中南大學，2013.

（作者單位：江蘇鼎勝新能源材料股份有限公司）