铝制换热器在家用空调中的可靠性研究
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2 铝换热器类型比较
按照管路选用材料类型的不同，目前家用空调铝换热器的 研究主要集中在以下几种：纯铝圆管、合金铝圆管、合金铝扁管、
纯铝口琴管和内螺纹铜铝复合管。具体分类比较见表 1。 由表 1 比较可以看出，不同类型的铝换热器均存在焊接性、
耐蚀性等方面的问题，必须加以重点研究考虑。具体来讲，家 用空调铝制换热器的研究开发和实施，主要存在以下几方面技 术难点：
■ 技术创新· 日用电器
铝制换热器在家用空调中的可靠性研究
高思云 赵可可 杜顺祥 ( 海信（山东）空调有限公司
青岛 266071)
摘要：本文研究了铝制扁管换热器和铜铝复合管换热器应用于家用空调在焊接、耐蚀、耐压等方面的可靠性问题，对两大类铝 制换热器应用的可靠性进行了验证，并探讨了铝制换热器今后的发展和努力方向。 关键词：铝扁管换热器；铜铝复合管换热器；可靠性
47 2011.03
日用电器 Electrical Appliances
■ 技术创新· 日用电器
汽车空调冷媒为 R-12 及 R-134a，冰箱冷媒为 R-134a 及 R-407C，系统均大量采用铝管。家用空调冷媒为 R-22、R-410a， 其化学安定性高于 R-12，在现有成熟的冷媒与机油配型条件下， 长期运行不应该成为问题。但如有产品上市，仍需进行跟踪剖析。
图 3.1 铜铝焊接点内部明 显的焊瘤。放大
图 3.2 焊点局部纵向截面观察结 果，钎焊料填充不完全，铜管与 铝管之间没有钎焊填料，铝管内 部的镀铜层受到破坏（箭头所示）。
图 3.3 放大 2000X, 在方框 中间十字位置做微区能谱分 析（右图），分析成分。
3.2.2 管内壁铜沉积层质量可靠性分析 管内铜沉积层原始状态表面质量较好，铜镀层厚度均匀； 铜沉积层与铝基体有较好的结合力，可以满足流体冲刷力的要 求；但胀管过程可能损坏内部镀铜层，微区分析和能谱分析均 证明破损部位铝的腐蚀和铝组分的存在（如图 3.3）；铝管内部 先形成齿形，铜沉积形成带齿纹的沉积层。 基于铜沉积层的上述特点，在使用过程中可能存在以下问 题：胀管后，管道内表面变脏，可能引起系统堵塞；铝管内部 铜破损，露出基体铝，在实际使用中，制冷剂含痕量水分，空 调压缩机在运行过程中，压机油不可避免少量降解形成酸性物 质，并带进微量水分，为此，极有可能引起“小阳极（铝）、 大阴极（铜）”电化学腐蚀，加速铝管泄露，空调器提前失效。
3.1.3.2 基材耐压性 以现换热器用 Φ9.52 铜管为例，壁厚大多为 0.28mm，极 限耐压可达到 13MPa 以上。由于铝管强度较铜管低（1060 纯铝 管强度约为铜管的 1/3，3003 或 3103 合金铝管强度约为铜管的 1/2），原壁厚条件下不能满足系统耐压要求。处理措施： 1060 纯铝管壁厚应不低于 0.7mm；3003 或 3103 合金铝管壁厚应不低 于 0.5mm。 3.1.3.3 焊接、加工部位耐压性 焊接部位附近过烧，扩口、折弯部位过度形变，最可能造 成系统耐压的薄弱部位。处理措施：提高焊接水平，严格控制 温度、时间等工艺参数，防止过焊；调整和控制加工工艺，降 低形变程度。 3.2 铜铝复合管换热器 3.2.1 铝铜钎焊焊点质量和应用可靠性分析 铜铝复合管换热器在焊接过程中主要有以下问题：铜铝管 内部焊接区域经常出现容易剥掉的焊瘤（如图 3.1）；在焊接区 域，因铜管插入，铝管内部的铜沉积层有损伤；焊缝局部钎焊 剂填充不致密的特征，空隙较多（如图 3.2）；焊缝强度差，脆 性，夹杂有许多气泡。 因此在实际使用过程中可能存在以下可靠性问题：在实际 工况条件下，高流速和冲刷力可能导致焊瘤脱落，导致系统堵塞； 焊缝局部连续的空隙或气泡，在实际使用中，有可能焊接点因 腐蚀引起泄漏；同时，由于铜铝钎焊接略脆，或因受力导致焊 接连接较少的部位裂开，与其他部位的空隙相连通，导致泄漏； 焊缝强度差、脆性高不利于其使用，尤其是在使用工况中存在 振动条件，长期工作振动可能影响焊缝可靠性，引起焊缝失效； 焊瘤的存在或焊接部位有突起，影响内壁有效截面积，可能对 系统内制冷剂流速或制冷效率产生影响。如果导致流速变慢， 为了加快流速，势必提高压机和整个系统的工作强度，导致整 机可靠性能下降；焊接区域铜沉积层损伤对焊接点使用可靠性 的影响不明确。
(1) 焊接 焊接性能、技术水平成为此项目的最大难点。目前的换热 器铝管焊接大都采用手动火焰钎焊，由于铝管的焊接性能较铜 管差，焊点泄漏严重，大批量生产的可行性及长期使用可靠性 有待进一步验证。 而对于铜铝复合管，因采用熔点很低的钎料， 焊接过程中如温度把握不合适，在管内极易形成焊瘤，对系统 的可靠性具有较大的隐患。 (2) 防腐 铝的化学活泼性较铜高，且在一定环境下易发生点蚀，同 时由于焊接用焊剂中通常含有卤素成份，如何确保铝管基材的 耐蚀性以及如何对焊接处进行有效处理也是一大技术难点。而 铜铝复合管铜铝接触面较大，存在电极腐蚀。
（待续）
Electrical Appliances 日用电器
2011.03 48
Electrical Appliances
(3) 系统 铝管弯管加工起皱现象较铜管严重，胀管加工易出现铝粉 的现象。因此对系统的耐压、清洁度等方面的工艺控制有更高 要求。铜铝复合管胀管加工时，容易将内部铜层破坏。对系统 的耐压、清洁度等方面都有较大影响，同时，如果铜层破坏， 裸露出铝材，将产生大阴极（铜），小阳极（铝）的腐蚀格局， 将明显加快电极腐蚀速度。 基于以上技术难点，必须深入探讨铝制换热器的可靠性设 计方案以及工艺保证手段，同时确立相应的可靠性验证方案， 以研究和验证其应用于空调整机产品的可靠性。
3.1.1.4 铜铝连接 由于存在铝管与铜管的连接问题，铜铝管连接可靠性要求 较高。处理措施：铜铝连接可采用目前成熟可靠的插接式电阻 压焊方式。 3.1.1.5 市场泄漏 由于铝铝焊接接头较多，且对维修工人焊接操作要求较高， 一旦市场出现焊缝泄漏，维修补焊操作困难较大。处理措施： 出厂前进行严格检漏（氦检）；市场维修采用专用修补胶棒进 行堵补。 3.1.2 耐蚀可靠性分析 3.1.2.1 基材耐蚀性 汽车行业现用全铝换热器铝管有两种，一种是纯铝管 1060 （L2），一种是 3003 或 3103（LF21）合金铝管，目前两者市 场大约各占一半，但合金铝管由于强度高、耐蚀性好等原因正 逐渐成为主流。用纯铝管需对成品表面喷锌或喷漆处理，而用 合金铝管不需对表面特殊处理，但合金铝管价格较高。处理措施： 为确保更高可靠性，选用耐蚀性更高的合金铝管。 3.1.2.2 焊剂腐蚀性 常 规 铝 焊 剂（ 如 QJ201 型 ） 焊 接 操 作 温 度 范 围 较 宽 （450℃～ 620℃），焊接较容易控制，但焊剂中含有氯成分， 容易造成后期焊缝及管路腐蚀。通常使用时需增加焊后处理工 序：焊完的焊缝用热水反复冲洗，并在 50℃～ 80℃的 2% 铬酐 （Cr2O3）中保持 15min，再用冷水清洗，但仍会有残留成份影响。 处理措施：采用无腐蚀性的氟铝酸钾 Nocolok 焊剂。但 Nocolok 焊剂使用温度范围较窄（565℃～ 572℃），对工人操作经验要 求非常高，最好采用焊接炉进行自动焊接。也可采用自动火焰焊， 同时采用 Nocolok 药芯焊料，压制成焊环后使用。 3.1.3 系统可靠性分析 3.1.3.1 冷媒反应性： 铝的活泼性较铜高，在系统内长期与冷媒、冷冻机油接触， 安全性及稳定是否存在问题。处理措施：冷媒、冷冻机油本身 对金属没有腐蚀性。但在高温及水份条件下，可能发生反应并 进一步腐蚀焊点： R1CH2CH2R2 ＋ CCl2F2（R-12） → R1CH ＝ CHR2 ＋ CHClF2 ＋ HCL
3 铝制换热器可靠性分析
3.1 铝合金换热器 3.1.1 焊接可靠性分析 3.1.1.1 焊缝夹渣 铝在空气中及焊接时极易氧化，生成的氧化铝熔点高、非 常稳定，不易去除。阻碍母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大， 不易浮出表面，易生成夹渣、未熔合、未焊透等缺陷。处理措施： 铝及铝合金焊接时，焊前应严格清除工件焊口及焊丝表面的氧 化膜和油污，清除质量直接影响焊接工艺与接头质量；工件和 焊丝经过清洗和清理后，一般应在 4 h 内施焊，以防重新生成 氧化膜，如存放时间过长 ( 如超过 24 h) 应当重新处理。 3.1.1.2 焊缝气孔 铝材的表面氧化膜和吸附大量的水分，易使焊缝产生气孔。 铝及铝合金在液态能溶解大量的氢，固态几乎不溶解氢。在焊 接凝固和快速冷却的过程中，氢来不及溢出，极易形成氢气孔。 处理措施：焊接前进行表面清理，清除其表面氧化膜，同时， 对氢的来源要严格控制，以防止气孔的形成；焊前预热，根据 不同类型的铝合金预热，使焊件减小变形、减少气孔等缺陷； 焊接时进行气体保护，保护气体为氩气、氦气或其混合气。 3.1.1.3 焊接火候 铝对光、热的反射能力较强，固、液转态时，没有明显的 色泽变化，焊接操作时难以判断。高温铝强度很低，支撑熔池 困难，容易焊穿。合金元素易蒸发、烧损，使焊缝性能下降。 处理措施：提高焊接工人操作技能水平。
冷暖机 换热性较好，焊接性一般，耐蚀性好 加工工艺影响可靠性，需验证
单冷机 换热性好，焊接性一般，耐蚀性好 焊接可靠性需验证
单冷机 换热性好，焊接性一般，耐蚀性差
不能折弯，整机结构难以匹配，整体需进行防腐 处理
Electrical Appliances 日用电器
2011.03 46
技术创新·Technology and Innovation
1 铝换热器项目背景
1.1 铜价上涨 自 2006 年以后铜价持续上涨，虽然目前价位有所下调，但 总体趋势铜价相比于铝价仍会有较大差异。铜价上涨造成铜管 生产厂家生产经营相当困难，但真正承担涨价成本的却是空调 厂家。 1.2 行业亏损 目前大部分空调厂家内销小机型空调近年以来一直亏损， 铜价上涨更是雪上加霜。 1.3 进展缓慢 换热器铜管是空调的主要成本之一，各空调厂家寻找替代 品的工作陆续启动，铝合金管成为首选，但此项研发工作进展 缓慢。
表1 材料类型
纯铝圆管
合金铝圆管 内螺纹铜铝复合管
合金铝扁管
纯铝口琴管
壁厚
0.7mm 以上
0.5mHale Waihona Puke Baidu 以上 0.5mm 以上 0.5mm 以上
0.5mm 以上
适用机型
特点
问题点
冷暖机
换热性一般，焊接性一般，耐蚀性差
换热器体积增大，焊接可靠性需验证，整体需进 行防腐处理
冷暖机 换热性一般，焊接性一般，耐蚀性好 换热器体积增大，焊接可靠性需验证
按照管路选用材料类型的不同，目前家用空调铝换热器的 研究主要集中在以下几种：纯铝圆管、合金铝圆管、合金铝扁管、
纯铝口琴管和内螺纹铜铝复合管。具体分类比较见表 1。 由表 1 比较可以看出，不同类型的铝换热器均存在焊接性、
耐蚀性等方面的问题，必须加以重点研究考虑。具体来讲，家 用空调铝制换热器的研究开发和实施，主要存在以下几方面技 术难点：
■ 技术创新· 日用电器
铝制换热器在家用空调中的可靠性研究
高思云 赵可可 杜顺祥 ( 海信（山东）空调有限公司
青岛 266071)
摘要：本文研究了铝制扁管换热器和铜铝复合管换热器应用于家用空调在焊接、耐蚀、耐压等方面的可靠性问题，对两大类铝 制换热器应用的可靠性进行了验证，并探讨了铝制换热器今后的发展和努力方向。 关键词：铝扁管换热器；铜铝复合管换热器；可靠性
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■ 技术创新· 日用电器
汽车空调冷媒为 R-12 及 R-134a，冰箱冷媒为 R-134a 及 R-407C，系统均大量采用铝管。家用空调冷媒为 R-22、R-410a， 其化学安定性高于 R-12，在现有成熟的冷媒与机油配型条件下， 长期运行不应该成为问题。但如有产品上市，仍需进行跟踪剖析。
图 3.1 铜铝焊接点内部明 显的焊瘤。放大
图 3.2 焊点局部纵向截面观察结 果，钎焊料填充不完全，铜管与 铝管之间没有钎焊填料，铝管内 部的镀铜层受到破坏（箭头所示）。
图 3.3 放大 2000X, 在方框 中间十字位置做微区能谱分 析（右图），分析成分。
3.2.2 管内壁铜沉积层质量可靠性分析 管内铜沉积层原始状态表面质量较好，铜镀层厚度均匀； 铜沉积层与铝基体有较好的结合力，可以满足流体冲刷力的要 求；但胀管过程可能损坏内部镀铜层，微区分析和能谱分析均 证明破损部位铝的腐蚀和铝组分的存在（如图 3.3）；铝管内部 先形成齿形，铜沉积形成带齿纹的沉积层。 基于铜沉积层的上述特点，在使用过程中可能存在以下问 题：胀管后，管道内表面变脏，可能引起系统堵塞；铝管内部 铜破损，露出基体铝，在实际使用中，制冷剂含痕量水分，空 调压缩机在运行过程中，压机油不可避免少量降解形成酸性物 质，并带进微量水分，为此，极有可能引起“小阳极（铝）、 大阴极（铜）”电化学腐蚀，加速铝管泄露，空调器提前失效。
3.1.3.2 基材耐压性 以现换热器用 Φ9.52 铜管为例，壁厚大多为 0.28mm，极 限耐压可达到 13MPa 以上。由于铝管强度较铜管低（1060 纯铝 管强度约为铜管的 1/3，3003 或 3103 合金铝管强度约为铜管的 1/2），原壁厚条件下不能满足系统耐压要求。处理措施： 1060 纯铝管壁厚应不低于 0.7mm；3003 或 3103 合金铝管壁厚应不低 于 0.5mm。 3.1.3.3 焊接、加工部位耐压性 焊接部位附近过烧，扩口、折弯部位过度形变，最可能造 成系统耐压的薄弱部位。处理措施：提高焊接水平，严格控制 温度、时间等工艺参数，防止过焊；调整和控制加工工艺，降 低形变程度。 3.2 铜铝复合管换热器 3.2.1 铝铜钎焊焊点质量和应用可靠性分析 铜铝复合管换热器在焊接过程中主要有以下问题：铜铝管 内部焊接区域经常出现容易剥掉的焊瘤（如图 3.1）；在焊接区 域，因铜管插入，铝管内部的铜沉积层有损伤；焊缝局部钎焊 剂填充不致密的特征，空隙较多（如图 3.2）；焊缝强度差，脆 性，夹杂有许多气泡。 因此在实际使用过程中可能存在以下可靠性问题：在实际 工况条件下，高流速和冲刷力可能导致焊瘤脱落，导致系统堵塞； 焊缝局部连续的空隙或气泡，在实际使用中，有可能焊接点因 腐蚀引起泄漏；同时，由于铜铝钎焊接略脆，或因受力导致焊 接连接较少的部位裂开，与其他部位的空隙相连通，导致泄漏； 焊缝强度差、脆性高不利于其使用，尤其是在使用工况中存在 振动条件，长期工作振动可能影响焊缝可靠性，引起焊缝失效； 焊瘤的存在或焊接部位有突起，影响内壁有效截面积，可能对 系统内制冷剂流速或制冷效率产生影响。如果导致流速变慢， 为了加快流速，势必提高压机和整个系统的工作强度，导致整 机可靠性能下降；焊接区域铜沉积层损伤对焊接点使用可靠性 的影响不明确。
(1) 焊接 焊接性能、技术水平成为此项目的最大难点。目前的换热 器铝管焊接大都采用手动火焰钎焊，由于铝管的焊接性能较铜 管差，焊点泄漏严重，大批量生产的可行性及长期使用可靠性 有待进一步验证。 而对于铜铝复合管，因采用熔点很低的钎料， 焊接过程中如温度把握不合适，在管内极易形成焊瘤，对系统 的可靠性具有较大的隐患。 (2) 防腐 铝的化学活泼性较铜高，且在一定环境下易发生点蚀，同 时由于焊接用焊剂中通常含有卤素成份，如何确保铝管基材的 耐蚀性以及如何对焊接处进行有效处理也是一大技术难点。而 铜铝复合管铜铝接触面较大，存在电极腐蚀。
（待续）
Electrical Appliances 日用电器
2011.03 48
Electrical Appliances
(3) 系统 铝管弯管加工起皱现象较铜管严重，胀管加工易出现铝粉 的现象。因此对系统的耐压、清洁度等方面的工艺控制有更高 要求。铜铝复合管胀管加工时，容易将内部铜层破坏。对系统 的耐压、清洁度等方面都有较大影响，同时，如果铜层破坏， 裸露出铝材，将产生大阴极（铜），小阳极（铝）的腐蚀格局， 将明显加快电极腐蚀速度。 基于以上技术难点，必须深入探讨铝制换热器的可靠性设 计方案以及工艺保证手段，同时确立相应的可靠性验证方案， 以研究和验证其应用于空调整机产品的可靠性。
3.1.1.4 铜铝连接 由于存在铝管与铜管的连接问题，铜铝管连接可靠性要求 较高。处理措施：铜铝连接可采用目前成熟可靠的插接式电阻 压焊方式。 3.1.1.5 市场泄漏 由于铝铝焊接接头较多，且对维修工人焊接操作要求较高， 一旦市场出现焊缝泄漏，维修补焊操作困难较大。处理措施： 出厂前进行严格检漏（氦检）；市场维修采用专用修补胶棒进 行堵补。 3.1.2 耐蚀可靠性分析 3.1.2.1 基材耐蚀性 汽车行业现用全铝换热器铝管有两种，一种是纯铝管 1060 （L2），一种是 3003 或 3103（LF21）合金铝管，目前两者市 场大约各占一半，但合金铝管由于强度高、耐蚀性好等原因正 逐渐成为主流。用纯铝管需对成品表面喷锌或喷漆处理，而用 合金铝管不需对表面特殊处理，但合金铝管价格较高。处理措施： 为确保更高可靠性，选用耐蚀性更高的合金铝管。 3.1.2.2 焊剂腐蚀性 常 规 铝 焊 剂（ 如 QJ201 型 ） 焊 接 操 作 温 度 范 围 较 宽 （450℃～ 620℃），焊接较容易控制，但焊剂中含有氯成分， 容易造成后期焊缝及管路腐蚀。通常使用时需增加焊后处理工 序：焊完的焊缝用热水反复冲洗，并在 50℃～ 80℃的 2% 铬酐 （Cr2O3）中保持 15min，再用冷水清洗，但仍会有残留成份影响。 处理措施：采用无腐蚀性的氟铝酸钾 Nocolok 焊剂。但 Nocolok 焊剂使用温度范围较窄（565℃～ 572℃），对工人操作经验要 求非常高，最好采用焊接炉进行自动焊接。也可采用自动火焰焊， 同时采用 Nocolok 药芯焊料，压制成焊环后使用。 3.1.3 系统可靠性分析 3.1.3.1 冷媒反应性： 铝的活泼性较铜高，在系统内长期与冷媒、冷冻机油接触， 安全性及稳定是否存在问题。处理措施：冷媒、冷冻机油本身 对金属没有腐蚀性。但在高温及水份条件下，可能发生反应并 进一步腐蚀焊点： R1CH2CH2R2 ＋ CCl2F2（R-12） → R1CH ＝ CHR2 ＋ CHClF2 ＋ HCL
3 铝制换热器可靠性分析
3.1 铝合金换热器 3.1.1 焊接可靠性分析 3.1.1.1 焊缝夹渣 铝在空气中及焊接时极易氧化，生成的氧化铝熔点高、非 常稳定，不易去除。阻碍母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大， 不易浮出表面，易生成夹渣、未熔合、未焊透等缺陷。处理措施： 铝及铝合金焊接时，焊前应严格清除工件焊口及焊丝表面的氧 化膜和油污，清除质量直接影响焊接工艺与接头质量；工件和 焊丝经过清洗和清理后，一般应在 4 h 内施焊，以防重新生成 氧化膜，如存放时间过长 ( 如超过 24 h) 应当重新处理。 3.1.1.2 焊缝气孔 铝材的表面氧化膜和吸附大量的水分，易使焊缝产生气孔。 铝及铝合金在液态能溶解大量的氢，固态几乎不溶解氢。在焊 接凝固和快速冷却的过程中，氢来不及溢出，极易形成氢气孔。 处理措施：焊接前进行表面清理，清除其表面氧化膜，同时， 对氢的来源要严格控制，以防止气孔的形成；焊前预热，根据 不同类型的铝合金预热，使焊件减小变形、减少气孔等缺陷； 焊接时进行气体保护，保护气体为氩气、氦气或其混合气。 3.1.1.3 焊接火候 铝对光、热的反射能力较强，固、液转态时，没有明显的 色泽变化，焊接操作时难以判断。高温铝强度很低，支撑熔池 困难，容易焊穿。合金元素易蒸发、烧损，使焊缝性能下降。 处理措施：提高焊接工人操作技能水平。
冷暖机 换热性较好，焊接性一般，耐蚀性好 加工工艺影响可靠性，需验证
单冷机 换热性好，焊接性一般，耐蚀性好 焊接可靠性需验证
单冷机 换热性好，焊接性一般，耐蚀性差
不能折弯，整机结构难以匹配，整体需进行防腐 处理
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1 铝换热器项目背景
1.1 铜价上涨 自 2006 年以后铜价持续上涨，虽然目前价位有所下调，但 总体趋势铜价相比于铝价仍会有较大差异。铜价上涨造成铜管 生产厂家生产经营相当困难，但真正承担涨价成本的却是空调 厂家。 1.2 行业亏损 目前大部分空调厂家内销小机型空调近年以来一直亏损， 铜价上涨更是雪上加霜。 1.3 进展缓慢 换热器铜管是空调的主要成本之一，各空调厂家寻找替代 品的工作陆续启动，铝合金管成为首选，但此项研发工作进展 缓慢。
表1 材料类型
纯铝圆管
合金铝圆管 内螺纹铜铝复合管
合金铝扁管
纯铝口琴管
壁厚
0.7mm 以上
0.5mHale Waihona Puke Baidu 以上 0.5mm 以上 0.5mm 以上
0.5mm 以上
适用机型
特点
问题点
冷暖机
换热性一般，焊接性一般，耐蚀性差
换热器体积增大，焊接可靠性需验证，整体需进 行防腐处理
冷暖机 换热性一般，焊接性一般，耐蚀性好 换热器体积增大，焊接可靠性需验证