內(nèi)容摘要：本文根據(jù)我國銅鋁復(fù)合柱翼型散熱器的生產(chǎn)情況，對(duì)其脹接復(fù)合工藝方法及對(duì)散熱量影響，脹管工藝的合理選擇、脹接復(fù)合緊密度的檢驗(yàn)方法及專用檢具、合格產(chǎn)品的脹接復(fù)合剪應(yīng)力判定值等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行試驗(yàn)和研究，研究結(jié)果已用于國內(nèi)本產(chǎn)品的生產(chǎn)。
關(guān) 鍵 詞：銅鋁復(fù)合 散熱器 散熱量 脹接工藝
The research of the technicology between expanded copper tube and extruded aluminium wind tube and test mathod of the copper- aluminium column-wing-type radiators
Abstract According to the industry standard of the Copper-aluminum column-wing-type radiators using popularly in China, the paper studies the variety of out-of-heat in different the technicology between expanded copper tube and extruded aluminium wind tube, and it puts forward its test method.
Keywords Copper-aluminum, radiator, out-of-heat, technicology between expanded copper tube and extruded baluminum wing tube
★Qingdao Technological University
0 引言
目前我國采暖散熱器企業(yè)對(duì)銅鋁復(fù)合柱翼型散熱器脹接工藝主要有機(jī)械脹、液壓脹、機(jī)械螺旋脹管等幾種工藝，脹接工藝好壞直接影響散熱器的散熱量和長期使用效果，為了引導(dǎo)企業(yè)采用正確脹接工藝本文對(duì)幾種脹接工藝與散熱量影響進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究并提出脹接工藝的實(shí)驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)，為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定提供理論依據(jù)。
一、脹接工藝
1.脹接工藝簡介
1.1機(jī)械脹
機(jī)械脹是用一個(gè)大于銅管內(nèi)徑的拉頭沿著銅管軸心線穿過，使銅管與鋁翼管脹接成為一體。
1.2液壓脹
機(jī)械脹是將銅管的兩端密封，一端密封將水沖入銅管內(nèi)并提高壓力，使銅管與鋁翼管脹接成為一體。
1.3機(jī)械螺旋脹
機(jī)械脹是用一個(gè)大于銅管內(nèi)徑的拉頭沿著銅管軸心線穿過，返回時(shí)有一個(gè)或幾個(gè)小鋼球伸出拉頭，比拉頭直徑大沿著銅管軸心線旋轉(zhuǎn)返回，使銅管內(nèi)形成一條或幾條螺旋線，將銅管與鋁翼管脹接成為一體。
2.確定總脹管量時(shí)應(yīng)考慮以下因素及分析
2.1確定總脹管量時(shí)應(yīng)考慮以下因素
①銅管外徑的“+”偏差。（0.04mm）
②鋁翼管內(nèi)徑的“-”偏差。（按實(shí)際情況。本標(biāo)準(zhǔn)要求≤0.4mm）
③銅管與鋁翼管的串管間隙。（約為0.2mm，按實(shí)際情況）
④脹管裕量（過盈量）。（0.2～0.3mm）
脹管總量應(yīng)大于或等于上述四項(xiàng)之和。但應(yīng)控制其不超過1.0mm。因?yàn)槊浌芸偭窟^大后容易造成其他損傷。目前個(gè)別企業(yè)脹管量不足，更有甚者采用兩端局部脹的錯(cuò)誤作法，都無法保證散熱器在長期使用時(shí)的緊密結(jié)合而使傳熱量降低。為保證產(chǎn)品散熱性能，最關(guān)鍵的因素是復(fù)合脹管過盈量的控制和保證。

2．2過盈量的確定，依據(jù)如下：
①目前我國多數(shù)企業(yè)對(duì)0.2～0.3mm的過盈量要求已在多數(shù)生產(chǎn)中實(shí)施。
②利用引進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)銅管鋁片散熱器脹管后的實(shí)測(cè)過盈量值（見表1）可作為相關(guān)參考（過盈量為0.16mm）。
③按銅、鋁的熱脹特性進(jìn)行計(jì)算與分析。（見表2、表3）
從表7、表8可以看出，由于本散熱器所用銅立管直徑均小于φ28，所以在溫度95℃以內(nèi)時(shí)銅與鋁兩種管材的徑向膨脹差值均≤0.015mm（見表3）?？紤]到焊接時(shí)對(duì)復(fù)合管上、下兩端的局部影響，其端頭部位的實(shí)際溫度，局部可能達(dá)200℃以上，這時(shí)的膨脹差值即為0.025mm，但影響區(qū)較小?？紤]到表面噴涂在200℃以下，銅與鋁兩種管材的徑向膨脹差值均≤0.025mm，影響很小。

綜合以上三點(diǎn)分析，本標(biāo)準(zhǔn)在復(fù)合脹管時(shí)過盈量可按≥0.2mm控制，最大0.3mm。即可保證在使用過程中銅管與鋁翼管不會(huì)產(chǎn)生“離骨”現(xiàn)象，達(dá)到緊密結(jié)合的目的。由于過盈量是脹管工藝中控制數(shù)值，脹管后無法檢測(cè)，只能間接用摩擦拉力法對(duì)脹接復(fù)合緊密度進(jìn)行評(píng)價(jià)，所以標(biāo)準(zhǔn)中不列出具體的過盈量數(shù)值，但生產(chǎn)廠應(yīng)按此要求進(jìn)行生產(chǎn)。過盈量過小，無法達(dá)到位移拉力的要求。值得注意的是，有些廠家為方便穿管提高工作效率，故意提高銅鋁間隙。這種作法是錯(cuò)誤的，可能出現(xiàn)以下結(jié)果：為保證脹接緊密度，脹管量太大，導(dǎo)致減薄量多，對(duì)銅管產(chǎn)生破壞；反之，為保證脹管量不超過規(guī)定值，導(dǎo)致脹接緊密度差，工程使用中出現(xiàn)鋁翼管脫落。試驗(yàn)證明：如果按標(biāo)準(zhǔn)脹接，鋁翼管根本不可能脫落。

二、銅鋁復(fù)合柱翼型散熱器脹接工藝對(duì)散熱量的影響
1．機(jī)械脹與液壓脹對(duì)散熱量的影響

由表4為同一型號(hào)采用機(jī)械脹過盈量（0.2㎜）與液壓脹（10MPa）銅鋁復(fù)合柱翼型散熱器散熱量的相對(duì)誤差0.5%，因此可以認(rèn)為是實(shí)驗(yàn)誤差，即可以忽略。
2．鋁合金散熱器與機(jī)械脹銅鋁復(fù)合柱翼型散熱器散熱量的影響
表5為同樣外形尺寸的鋁合金散熱器與機(jī)械脹過盈量（0.2㎜）銅鋁復(fù)合柱翼型散熱器散熱量對(duì)比，由表5可以看出脹接較好時(shí)，銅鋁復(fù)合柱翼型散熱器的散熱量影響不大，它的相對(duì)誤差為2.5%。

3．機(jī)械脹管和機(jī)械螺旋脹管對(duì)散熱量的影響
（1）同樣一種散熱器中心距600㎜采用機(jī)械脹管，過盈量達(dá)0.20mm時(shí)與機(jī)械螺旋脹管，脹管過盈量0.0mm的散熱量對(duì)比見表5，由表6看出，在計(jì)算溫差64.5℃時(shí)散熱量的相對(duì)誤差為3.8%，在低溫計(jì)算溫差30℃時(shí)散熱量的相對(duì)誤差10.9%。

（2）同樣一種散熱器采用機(jī)械脹管，過盈量達(dá)0.30mm時(shí)與機(jī)械螺旋脹管，脹管過盈量達(dá)0.3mm的散熱量對(duì)比見表7，由表7看出，在計(jì)算溫差64.5℃時(shí)散熱量的相對(duì)誤差為-1.9%，在低溫計(jì)算溫差30℃時(shí)散熱量的相對(duì)誤差-0.5%。

由以上兩種散熱器可以認(rèn)為過盈量達(dá)0.30mm時(shí)采用采用機(jī)械脹管和機(jī)械螺旋脹管對(duì)散熱器的散熱量可以忽略接觸熱阻對(duì)散熱量的影響；但是對(duì)于過盈量0.0mm時(shí)在低溫影響較大, 無過盈時(shí)相對(duì)誤差高達(dá)10.9%；過盈量達(dá)0.3mm時(shí)相對(duì)誤差為3.1%。因此對(duì)于過盈量0.0mm時(shí)的長期使用對(duì)散熱器的散熱量也會(huì)有影響。在計(jì)算溫差64.5℃時(shí)散熱量的相對(duì)誤差可以認(rèn)為測(cè)量誤差。從以上兩種散熱器的機(jī)械脹管要比機(jī)械螺旋脹管散熱量好；從理論上分析，采用機(jī)械螺旋脹管在螺旋的部位它的脹管量為2～5㎜，局部脹管部位在塑性變形范圍內(nèi)（即銅管回彈），它與鋁翼管產(chǎn)生間隙，在切割斷面中用眼睛不能看出縫隙；銅管與鋁翼管不能達(dá)到彈性變形的回彈量，在低溫供水時(shí)銅管與鋁翼管的熱膨脹達(dá)不到緊密接觸，因此散熱量偏低；同樣在高溫供水時(shí)銅管與鋁翼管的熱膨脹達(dá)到緊密接觸，因此散熱量與機(jī)械脹管基本相同；從以上的分析中可以提出銅鋁復(fù)合柱翼型散熱器的脹管量一定要合理，必須保證材料在彈性變形范圍內(nèi)；同時(shí)脹管量過大對(duì)材料的減薄量加大，對(duì)材料的使用壽命、耐蝕能力及承壓能力受到影響。
4．兩端脹管對(duì)散熱器散熱量的影響
同樣一種散熱器型材中心距600㎜采用兩端機(jī)械脹管，兩端機(jī)械脹管長度50mm時(shí)與鋁合金散熱器的散熱量對(duì)比見表8，由表8看出，在計(jì)算溫差64.5℃時(shí)散熱量的相對(duì)誤差為 15%，因此這種不應(yīng)采納。

三、銅管與鋁翼管脹接工藝的緊密度的實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)結(jié)果
1．檢驗(yàn)方法
取銅鋁復(fù)合柱翼型散熱器檢驗(yàn)樣品三件，要求復(fù)合部分長度100±2.0mm；調(diào)整設(shè)備，將樣品試件安裝于檢驗(yàn)設(shè)備上卡緊，以保證拉拔過程中卡具不滑移，設(shè)置好拉拔速度后開始拉拔，拉拔過程要?jiǎng)蛩?，速度不大?0mm/min；取拉力最大值，為實(shí)驗(yàn)拉力值。將此值除以銅管外表面積就得到位移拉應(yīng)力。
檢具夾持桿（保證能被拉拔試驗(yàn)機(jī)夾緊，要求上下桿同軸線）；
檢具板面(有足夠的剛度,拉拔時(shí)不產(chǎn)生明顯變形，下板面開孔保證能穿過銅管)；
檢具拉桿(長度相同共4個(gè)，拉拔時(shí)不產(chǎn)生明顯變形)；
測(cè)試件銅管；
測(cè)試件鋁型材；
銅管外卡具(插入銅管后能卡緊)；
銅管內(nèi)卡具(卡銅管部位能緊密配合，注意內(nèi)外卡具要配套)。

2．機(jī)械脹與液壓脹比較
試驗(yàn)用銅管為Φ22X0.6的同廠同批管材，鋁翼管取與之能夠配套的同廠同批材料。對(duì)于液壓脹，按照脹管壓強(qiáng)為10、15、20MPa分別加工幾組試件；對(duì)于機(jī)械脹，制造不同規(guī)格脹頭，以保證脹接過程中過盈量0.40、0.20、0.10㎜和近似于沒有過盈量的四種型號(hào)復(fù)合單元。由于在該品種散熱器生產(chǎn)過程中，尤其在焊接及噴涂工藝工序中，會(huì)產(chǎn)生較大的溫度波動(dòng)。為此，將加工好的復(fù)合單元置于與散熱器生產(chǎn)工序相同環(huán)境溫度下，以模擬銅鋁復(fù)合柱翼型散熱器制造的真實(shí)過程，。由于在實(shí)驗(yàn)階段沒有專用檢測(cè)緊密度的設(shè)備，根據(jù)壓力與摩擦力的相關(guān)性，采用微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)及專用檢具（包括銅管內(nèi)外卡具和鋁翼管支撐工具）對(duì)試件進(jìn)行拉拔，通過測(cè)量拉拔力來反映緊固力的大小。
拉拔試驗(yàn)步驟：取試驗(yàn)樣品；調(diào)整設(shè)備，將樣品試件安裝于檢查設(shè)備上卡緊，以保證拉拔過程中卡具不滑移，設(shè)置好拉拔速度后開始拉拔，拉拔過程保持勻速，速度為30mm/min；記錄拉力變化。 拉拔位移每增大1㎝記錄一次數(shù)據(jù)。經(jīng)過多次試驗(yàn)，取最接近平均值的一組數(shù)據(jù)得出該曲線圖2。

曲線依次分別代表：過盈量為(1)0.40㎜、(2)0.20㎜、(3)0.10㎜的機(jī)械脹和脹管壓強(qiáng)為(4)20 MPa液壓脹、(5)近似沒有過盈量的機(jī)械脹、(6)脹管壓強(qiáng)為15MPa液壓脹、(7)脹管壓強(qiáng)為10MPa液壓脹。
3．結(jié)果分析

從圖2可以看到拉力最大值沒有出現(xiàn)在拉伸過程的起始位置，似乎與最大靜摩擦理論相矛盾，其實(shí)觀察拉伸后的試件可以發(fā)現(xiàn)：在銅管的外表面粘著鋁翼管破壞后的碎屑；鋁翼管內(nèi)表面也有被拉傷的痕跡。而且拉力越大這種現(xiàn)象就越明顯。故兩者之間的力已經(jīng)不單純是表面摩擦力關(guān)系了。嚴(yán)格來說只有拉伸起始點(diǎn)才能反映緊固力的大小，而這點(diǎn)力的大小不容易準(zhǔn)確測(cè)量的。還可以看出，機(jī)械脹受力明顯大于液壓脹。液壓脹受力和曲線5(鋁翼管內(nèi)徑近似沒有擴(kuò)大的機(jī)械脹)相似，且在不同液壓脹壓強(qiáng)下，其拉力曲線差異不大。
銅鋁復(fù)合散熱器加工時(shí)，銅管和鋁翼管的脹接已超出了其彈性變形的范圍（這一點(diǎn)可以通過觀測(cè)脹接后二者的管徑明顯擴(kuò)大得出），二者的連接是靠塑性變形的殘余擠壓應(yīng)力。在拉拔過程中，銅管和鋁翼管受力部位處于復(fù)雜的三向應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)于液壓脹工藝，脹接過程是瞬間同時(shí)完成的。若脹接壓力小，銅管和鋁翼管就不能緊密配合，故拉拔力??；若脹接壓力大，外露銅管部分會(huì)成為受力薄弱點(diǎn)，此部位局部減薄率較大，而就配合部分而言，結(jié)合力變化不明顯。拉拔試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了者一點(diǎn)。液壓脹應(yīng)力分析如下：
銅管在受內(nèi)壓力P的作用下主要產(chǎn)生兩種變形，即軸向伸長和徑向脹大。壁上的任意一點(diǎn)將產(chǎn)生三個(gè)方向的主應(yīng)力：沿銅管切線方向的切應(yīng)力σ1，沿銅管軸線方向的軸向應(yīng)力σ2及沿銅管直徑方向的徑向應(yīng)力σ3，如圖3所示。由于銅管壁厚小于管半徑的1/10，故屬于薄壁容器，可近似認(rèn)為切向應(yīng)力沿壁厚均勻分布。由分離體平衡力的關(guān)系容易得出：
2·σ1·L·δ=P·Dn·L，于是有:σ1= MPa
（1）
σ2·π·Dn·δ=P· ·Dn2，于是有:
σ1= MPa （2）
顯然，徑向應(yīng)力σ3應(yīng)取內(nèi)外壁徑向應(yīng)力的平均值：σ3= MPa （3）
（3）式中的負(fù)號(hào)表示σ3壓應(yīng)力，可見，σ1＞σ2＞σ3，σ1=2σ2。
對(duì)于機(jī)械脹工藝，脹接過程是由脹頭行程漸進(jìn)完成的。脹接時(shí)，脹頭的影響部位局限于接觸面附近，故銅管和鋁翼管的結(jié)合是均勻的，外露銅管部分就不會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力集中。拉拔試驗(yàn)時(shí)，拉力必然要大得多。脹接過程中，試件所受三向應(yīng)力值與液壓脹全然不同，而與脹頭形狀、尺寸和移動(dòng)速度等因素有關(guān)。
4．評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
銅管與鋁翼管脹接復(fù)合的緊密度，用專用檢具（如圖2）進(jìn)行試件位移拉應(yīng)力檢驗(yàn)。通過對(duì)Φ16～Φ26mm銅管立柱試件（機(jī)械和液壓脹）的摩擦拉力數(shù)值間接評(píng)價(jià)脹接復(fù)合緊密度，近百個(gè)試樣的總結(jié)。按未脹前銅管外徑計(jì)算銅管與鋁翼管復(fù)合接觸面積，最后計(jì)算位移拉應(yīng)力（MPa），對(duì)于Φ16～Φ26mm銅管立柱，其三組樣品的位移拉應(yīng)力實(shí)驗(yàn)值均不小于0.85MPa為合格。此值考慮散熱器中心距大于1000㎜時(shí)的液壓脹管的優(yōu)點(diǎn)。
六．小結(jié)
1．銅鋁復(fù)合柱翼型散熱器的建議采用機(jī)械脹管工藝，通過銅管與鋁翼管脹接復(fù)合的緊密度實(shí)驗(yàn)，它的過盈量在＞0時(shí)，它的拉拔力20MPa液壓脹脹管工藝。同時(shí)它的散熱量優(yōu)于機(jī)械螺旋脹管工藝；液壓脹脹管和機(jī)械螺旋脹管工藝容易導(dǎo)致局部破壞過大
2．提出銅鋁復(fù)合柱翼型散熱器脹管工藝的實(shí)驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
3．通過不同的脹管工藝對(duì)散熱器散熱量的研究為建議采用機(jī)械脹管工藝提供理論指導(dǎo)。

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