冷凝器兩片式集液管壓力交變疲勞破壞的研究

摘 要：汽車風冷平行流冷凝器的耐疲勞特性是一項重要指標，耐壓力交變試驗作為模擬冷凝器在實際整車生命周期工況的評估測試，是對冷凝器結構設計、材料選用、裝配工藝以及釬焊工藝的綜合評價。本文根據疲勞失效機理，指出兩片式冷凝器集液管的壓力交變疲勞失效的主要影響因素來自局部應力集中，并結合有限元模擬，提出了幾種優化方案。

關鍵詞：汽車冷凝器 壓力交變 疲勞失效

1 緒論

自1954年車載空調系統首次在凱迪拉克品牌的乘用車上量產以來，汽車冷凝器作為空調系統的關鍵部件，經歷了從管片式、管帶式到平行流式的發展[1]。平行流式的汽車冷凝器已經成為目前風冷式冷凝器的主流設計。而近年來伴隨著汽車電動化浪潮，汽車冷凝器也經歷著從原本較為單一的風冷平行流冷凝器衍生出了為適配熱泵系統的風冷平行流室外換熱器，便于集成在熱管理模塊中的水冷式冷凝器也得到了更多的應用。而不論是風冷平行流結構或是水冷式結構的汽車冷凝器，由于其焊接點多，釬焊長度長，耐疲勞特性是汽車冷凝器可靠性的重要指標。

張輝[4]等在《重型卡車散熱器失效分析及優化研究》中提到了壓力交變試驗對于散熱器可靠性的重要意義，對于工作壓力遠高于散熱器的冷凝器，耐壓力交變疲勞試驗更是作為模擬冷凝器在實際整車生命周期工況的重要評估測試，是對冷凝器結構設計、材料選用、裝配工藝以及釬焊工藝的綜合評價。

2 風冷平行流式冷凝器壓力交變疲勞破壞的機理

2.1 區分疲勞破壞與靜載破壞

在疲勞與斷裂的研究中，我們首先需理解什么是疲勞，引用美國試驗與材料協會的“疲勞試驗及數據統計分析之有關術語的標準定義”[2]（ASTM E206-72）所述：在某點或某些點承受擾動應力，且在足夠多的循環擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發生的局部的、永久結構變化的發展過程，稱為疲勞。根據這個定義，可以發現疲勞的幾個關鍵點：一是要承受多次的擾動應力亦可理解為循環應力，二是疲勞破壞起源于高應力或高應變的局部。

我們應區分疲勞破壞與靜載破壞。疲勞破壞與靜載破壞有著不同的特點，靜載破壞是材料或構件在承受高于其本身極限強度Su的載荷作用下，整體強度不足而瞬間發生的破壞，如爆破實驗即是對靜載破壞承受能力的評估手段。靜載破壞取決于結構整體，而疲勞破壞則由應力或應變較高的局部開始，是構件在承受低于極限強度Su的較低應力的反復作用下，局部的損傷累積而產生，因而應力集中對疲勞壽命影響很大，而對極限承載能力影響較小，構件的應力集中處，常常是疲勞破壞的起始點。

高強度脆性材料的極限強度Su取為極限抗拉強度，而延性材料的極限強度Su則取為屈服強度。目前平行流式冷凝器主要由多孔扁管，翅片，集液管，隔片，儲液干燥器以及進出口法蘭和安裝支架組成，90%以上的零件由鋁合金制成，如多孔扁管、翅片和集液管多為3系的改性鋁合金，而儲液干燥器和進出口法蘭多為6系鋁合金。3系改性或6系鋁合金均為延性材料，因此材料的屈服強度對于冷凝器的疲勞壽命相當重要，但一般并不會直接使用原材料的屈服強度作為評判依據，因為在冷凝器的制造過程，原材料經過了沖壓冷變形、裝配和釬焊，已經形成了新的結構體，這個結構體的屈服強度并不完全等同于原材料的屈服強度，盡管如此，材料本身的屈服強度依舊是一個重要的評估依據。

綜合來說，在冷凝器這種應用情境下，材料的屈服強度和局部應力集中是研究壓力交變疲勞失效的關鍵因子。

2.2 應力疲勞與應變疲勞

按作用于構件的循環應力的大小，疲勞分為應力疲勞和應變疲勞。如果最大循環應力Smax小于屈服應力Sy，屬于應力疲勞范疇，其循環應力較低，壽命循環次數較高，即疲勞壽命Nf，一般至少高于一萬次，因此也稱為高周疲勞。汽車換熱器驗證試驗中常見的壓力交變試驗、振動試驗中發生的失效，基本屬于此類。[1，5]

3 風冷平行流式冷凝器壓力交變疲勞破壞的分析與優化

3.1 風冷平行流式冷凝器的結構

如前文提及，平行流式冷凝器已毫無疑問成為行業主流設計，其前身是管帶式冷凝器，管帶式冷凝器由一根蛇形的多孔扁管與多根波浪形（V型或U型）的散熱帶組成。相比更傳統的管片式冷凝器，管帶式冷凝器的傳熱效率已可以提升15%～20%，而平行流式冷凝器注重分段形式的流程設計，使用兩根集液管將多根多孔扁管同時相連，制冷劑同時平行通過多根微通道多孔扁管，形成一系列流道，因此在管帶式冷凝器的基礎上再提升30%的傳熱效率。在這個結構中，集液管是對于壓力交變疲勞相對較敏感的構件。圖1所示的兩片式結構是較為常見的風冷平行流冷凝器集液管結構。該結構便于裝配，生產效率高。但其AB兩片結合處的壁厚變化，成為一個潛在的在循環應力作用下的局部應力集中點，是在壓力交變試驗中潛在的失效點。也是后文案例中的主要研究對象。

3.2 冷凝器耐壓力交變試驗機理

壓力交變測試是一種通過用介質以高低壓不斷循環對產品或組件進行交替沖擊來加速驗證過程并在短時間內模擬多年使用條件的測試[3]。在壓力交變測試中，產品或組件承受一系列循環壓力載荷。它模擬了醫療設備、航空航天組件、工業控制系統和汽車/運輸部件等產品的真實條件，并可用于評估產品隨時間推移的耐久性能。對于汽車行業，國內外大多數車企都會要求使用壓力交變測試來驗證熱交換器類產品的耐久，工作介質為冷卻液的散熱器類部件一般直接使用冷卻液作為試驗的介質，而以冷凝器為代表的工作介質為制冷劑的壓縮機回路部件，則使用油作為介質來模擬熱交換器內部承受的壓力。施加的循環載荷一般是梯形波或正弦波，不同車企對高壓值，壓力幅值、壓力爬升速率也會有不同的要求，總體上高壓值區別不大，基本會在29Bar（A）至35Bar（A）之間，但循環次數的要求則差別比較明顯，從100，000次至300，000次不等。

熱交換器壓力交變試驗結果的評價標準，一般是產品在通過指定的循環次數后，仍然符合產品密封性要求。個別車企會提出使用統計分析方法來評判疲勞壽命性能的更嚴苛的評價標準。比較有代表性的是美系車企，比如要求樣件做到指定的壓力交變循環次數后繼續運行直到產品密封性失效，并將失效循環數結果進行Weinbull（威布爾）分布計算，根據結果判斷是否滿足置信度要求。也可能是以一個置信度要求作為前提條件，計算出對應需要的樣件數以及循環數。

3.3 冷凝器耐壓力交變失效設計改進

如3.1節中所述，典型兩片式（TWO-HALF）冷凝器集液管結構中，AB片結合處是一個相對應力集中點，在壓力交變試驗標準極為嚴苛的情況下，此處可能會成為兩片式冷凝器集液管的壓力交變試驗失效點，即圖3所示。

從圖4所示金相圖可以看到，此集液管在AB兩片結合處即釬焊接頭的根部開裂，開裂區域沒有其他異常顆粒也沒有頸縮，符合疲勞開裂的特征。

減少AB片結合處的應力集中，是防止兩片式冷凝器集液管在嚴苛標準的壓力交變試驗下的主要改進方向，同時需要考慮經濟性。這里需要分幾種情況來討論。

（1）首先是兩片式集液管AB片結合面不對稱的情況引起失效。如圖5所示。

我們通過FEA來模擬AB片結合面截面長度不對稱的差異達到1mm時，集液管內部承受橫幅載荷的情況，并與對稱的情況進行對比。如圖6的FEA結果顯示，當集液管AB片在裝配過程中發生扭轉而成為不對稱結構時，結合面變小一側的應力集中相比對稱的情況會增加10%，從而增加了在壓力交變試驗中失效的風險。

這種情況可以通過在裝配工裝上增加限位來避免兩片式集液管 AB 片結合面不對稱，

（2）設計上將A片的導入角減少。減少A片的導入角可以增加AB片結合處面的截面長度，由此增加了釬焊長度。通過FEA分析，將導入角邊長減少0.5mm后，應力集中情況得到改善，結合處邊緣最大應力減小了23%。但這可能會增加裝配難度，需綜合評估。（圖7）

（3）如果仍需進一步減少應力集中，則需考慮增加材料厚度或者提高材料強度。平行流式冷凝器普遍通過氣氛保護隧道爐進行釬焊，且由于AB片沖壓變形量大，集液管的材料基本選擇3系鋁合金。因此增加厚度是更為現實的手段。通過FEA分析，以1mm的AB片厚度為例，若將材料厚度增加到1.2mm，如圖8所示，應力集中處的最大應力可減少約18%。

4 結語

本文從疲勞破壞的機理切入，分析了造成風冷平行流式冷凝器壓力交變失效的主要影響因素是局部應力集中。并結合了有限元模擬分析，分別指出了從工藝和設計上的優化方法。

兩片式集液管AB片結合面不對稱的情況會增加局部應力集中，繼而增加壓力交變失效的風險。可以通過在裝配工裝增加限位來避免不對稱。減少A片的導入角可以減少局部應力集中，但對裝配的影響需要綜合評估。若仍需進一步減少應力集中，則考慮增加材料厚度或者提高材料強度。

參考文獻：

[1]王若平.汽車空調[M].北京：機械工業出版社，2020.

[2]陳傳堯.疲勞與斷裂[M].長沙：華中科技大學出版社，2009.

[3]張麗英.汽車散熱器耐壓力交變疲勞性研究[J].時代汽車，2018，12（60）：143-146.

[4]張輝，夏航，等.重型卡車散熱器失效分析及優化研究[J].機械制造與自動化，2024，53（1）：55-60.

[5] Der-Shen Yang， Dengxing Xue， H Xu， Wenhui Duan， Low-cycle fatigue design for reinforced high-strength concrete under high compressive.stress [J].Case Studies in Construction Materials， 2024（20）， 30-78.