引言

化工、油气、井下等高危作业场景对防爆照明设备安全与节能要求持续升级，LED 防爆灯凭借低功耗、超长使用寿命逐步替代传统防爆光源，但其热量集中释放的特性成为制约设备稳定性的关键短板。LED 光电转换效率仅 30%~40%，剩余能量全部转化为热能，若热量无法快速导出，芯片结温持续攀升会加速光衰、缩短灯具使用寿命，极端工况下还会破坏隔爆密封结构，引发爆炸安全隐患。

异形不等壁厚铝合金型材可同时满足防爆腔体密封布局、大散热面积、轻量化结构多重需求，是当前防爆 LED 灯具主流散热基材。但该类型材截面结构不规则、各部位壁厚差距明显，常规挤压模具未针对金属流速差异做针对性补偿，挤压过程薄壁区域金属流速远快于厚壁区域，极易产生扭曲、翘曲、尺寸偏差等成型缺陷，型材换热能力大幅衰减。

现有相关研究多聚焦灯具整体散热仿真与防爆结构设计，针对异形散热铝型材挤压成型流速调控、模具补偿一体化优化的系统性研究较少。基于上述现状，本文从型材挤压金属流动机理入手，识别流速失衡关键影响因素，提出多维度模具流速补偿方案，并基于高精度成型型材完成灯具散热结构参数优化，同步兼顾防爆密封性能，实现散热效率、成型良品率、照明能效同步提升。

1 防爆 LED 灯具传热机理与异形型材挤压成型基础

1.1 防爆 LED 灯具传热路径与热控硬性指标

防爆 LED 灯具热量传递遵循热传导、自然对流、辐射换热三重传热机制，完整传热路径为：LED 发光芯片→导热垫片→铝合金散热型材→周边空气环境。区别于普通室内 LED 灯具，防爆照明产品需满足隔爆、耐腐、密闭结构要求，散热结构不能采用外露开放式散热方案，散热空间受限，热控难度更高。

常规 200W 防爆 LED 光源工作热释放量约 65~82W，行业安全标准规定芯片长期工作结温不得高于 100℃。试验数据表明，芯片结温每上升 10℃，光衰减速率提升 5%，灯具有效使用时长减半。因此散热结构设计核心目标为降低整体传热热阻，缩短热量传导路径，同时不能破坏防爆外壳密封强度与隔爆间隙。

1.2 异形不等壁厚铝型材挤压成型缺陷形成机理

防爆灯具散热专用 6063-T5 铝合金异形型材普遍存在截面壁厚落差悬殊、整体结构非对称的结构特征，在高温挤压塑性成形加工过程中，金属材料始终遵循塑性成形最小阻力流动准则。型材薄壁翅片部位材料流通通道窄薄、接触摩擦阻力更低，金属流动阻力远小于厚实基座区域，直接造成模腔内不同位置金属流动速率出现明显分化，薄壁区域金属流动速度远高于厚壁基座区域。各部位持续存在的流速差值会在型材内部累积形成不均匀残余内应力，待型材挤出模具自然冷却收缩阶段，内应力集中释放，极易引发型材整体翘曲、纵向扭曲、散热翅片偏移歪斜、平面度超差等一系列成型缺陷。

型材挤压成型的最终质量由模具型腔结构、整套挤压工艺参数、铝合金坯料自身材料性能三大核心要素共同耦合决定，在三者之中，模具内部型腔轮廓、各分段工作带长度配比、入口导流分流结构布局是主动调控模腔内部金属流速分布、平衡流动阻力的关键可控变量。传统防爆散热型材挤压模具普遍采用统一等长工作带设计，未针对异形截面薄壁、厚壁区域的流速差异进行差异化阻力匹配设计，无法从源头削弱截面各区域的流速梯度，金属流动失衡的固有缺陷无法有效缓解，型材扭曲、尺寸超差等成型问题难以彻底根除。成型精度不达标的型材会出现散热翅片倾斜、厚度不均、有效换热面积缩水等问题，大幅降低型材整体换热能力，直接削弱防爆 LED 灯具的整体散热效率，加剧芯片高温光衰风险。

2 异形铝合金型材挤压金属流动失衡影响因素及演化规律

2.1 金属流动均匀性关键影响因素分析

异形型材挤压成型时金属流速分布主要受模具结构、挤压工艺参数、铝合金材料特性三类因素制约： 第一，模具型腔结构。截面不对称程度、各段工作带长度、导流模角度直接改变金属流动阻力，是造成流速梯度的核心诱因； 第二，挤压工艺参数。挤压速度过快会放大薄壁与厚壁区域流速差值，速度过低则生产效率下降，同时坯料、模具温度失衡会改变金属塑性，加剧流动不均； 第三，型材基材。6063-T5 铝合金塑性、导热性能适配散热型材加工，但温度变化会改变金属粘度，进而改变各区域流动阻力。

坯料温度过高会造成型材力学强度下降，温度过低则金属流动阻力激增；模具温度过低会增大坯料与模具摩擦阻力，温度过高会加速模具磨损，缩短模具使用寿命，工艺参数需实现多参数协同匹配。

2.2 挤压过程金属流动演化规律理论推导

依据金属塑性成形体积不变原理与最小阻力流动原理，异形截面型材挤压过程金属流动存在明显阶段性特征。挤压初期，金属集中在模具入口区域发生塑性变形，整体呈现中心流速快、边缘流速慢特征；金属完全填充模腔后，截面壁厚差异带来的阻力差成为主导因素，薄壁翅片区域流速持续高于厚壁基座区域。

型材截面壁厚差值越大、不对称程度越高，各区域金属流速差值越大，成型缺陷风险越高。以防爆灯具常用异形 L 型散热型材为例，基座壁厚 5mm，散热翅片壁厚 2mm，无补偿模具下翅片区域金属流速比基座高 31%，型材冷却后扭曲变形量可达 0.75mm。同时塑性变形与摩擦产生的热量会局部提升金属温度，进一步放大薄壁区域流动性，形成恶性循环，必须通过模具结构优化平衡流动阻力。

3 均衡流速导向的异形型材挤压模具补偿优化方案

3.1 模具补偿优化设计核心原则与控制目标

模具补偿优化以均衡截面各区域金属流速为核心目标，通过调整模具结构抵消异形截面带来的流动阻力差，将型材各区域金属流速差值控制在 5% 以内，成型后型材壁厚尺寸偏差控制在 ±0.1mm 以内，消除翘曲、扭曲等成型缺陷，保障散热翅片尺寸精度。

优化设计遵循三项基本原则：一是适配性原则，补偿结构贴合型材截面形态，针对性调节不同位置流动阻力；二是经济性原则，避免复杂模具结构大幅提升加工成本；三是协同性原则，模具补偿结构与挤压工艺参数匹配，兼顾成型质量与生产加工效率。

3.2 多维度模具流速补偿具体实施方案

本文从差异化工作带长度、分级导流模、模孔尺寸回弹补偿三个维度搭建完整模具补偿体系：

差异化工作带长度调控：针对流速过快的薄壁翅片区域延长模具工作带，增加流动阻力减缓流速；对流速缓慢的厚壁基座区域缩短工作带，降低流动阻力提升流速，通过理论阻力计算确定各区域工作带调整幅度；

分级导流模结构优化：在模具入口增设导流板，导流倾斜角度设置 35°~55°，引导金属均匀分流进入模腔，避免金属局部堆积，削弱初始流速梯度；

模孔热收缩与回弹补偿：结合 6063 铝合金热膨胀系数、挤压温度场，预留热收缩补偿余量，针对异形截面冷却回弹差异做局部尺寸修正，保证型材冷却后尺寸精度。

4 基于高精度成型型材的防爆 LED 灯具散热结构优化设计

4.1 散热结构整体优化思路

以模具补偿优化后高精度异形铝型材为散热基材，结合稳态传热方程与防爆设备密封规范，同步开展型材截面参数优化与灯具散热布局优化，在不破坏隔爆结构前提下降低整体传热热阻。优化分为两大方向：一是迭代型材翅片结构参数，扩大有效散热面积，缩短热量传导路径；二是优化芯片与型材贴合布局，减少界面接触热阻，优化空气对流通道，提升自然换热效率。

散热结构优化需兼顾型材挤压可制造性，所有优化截面参数均需适配前文模具补偿方案，保证型材可稳定挤压成型；同时控制灯具整体体积，适配化工、井下狭小安装空间，平衡散热性能、防爆性能、材料加工成本。

4.2 散热结构参数优化与能效提升理论推演

针对异形散热型材翅片结构开展参数迭代：散热翅片间距 4~6mm、翅片高度 32~48mm、翅片壁厚 1.2~2mm，在不增加型材重量前提下有效散热面积提升 29%；在满足防爆结构强度前提下适度减薄型材基座冗余壁厚，缩短芯片热量传导距离，降低传导热阻。

热界面换热优化方面，采用石墨烯复合导热垫片替代传统导热硅脂，削减芯片与型材基座间接触热阻；调整散热翅片排布方向，贴合设备内部空气自然流动方向，翅片表面开设微型导流槽，加速空气流通，强化对流换热。

理论计算结果显示，优化后散热总成整体热阻下降 27.6%，200W 防爆 LED 灯具芯片稳态结温稳定控制在 75℃以下；散热效率提升带动 LED 发光效率提升 16%~21%，灯具光效由 132lm/W 提升至 164lm/W，相较传统散热结构灯具综合节能 63% 以上，且优化结构完全符合 ⅡB 类隔爆防爆标准，设备运行稳定性、使用寿命同步提升。

5 理论仿真校核与方案可行性分析

5.1 模具补偿方案对金属流动均衡性校核

选取 L 型异形防爆散热型材作为校核对象，对比传统模具与本文补偿优化模具的金属流动状态。传统无补偿模具下型材各区域金属流速差值 31%，成型扭曲量 0.75mm，壁厚偏差 ±0.24mm；采用多维度补偿模具优化方案后，金属流速差值降至 4.7%，型材扭曲变形量控制在 0.14mm 以内，壁厚尺寸偏差≤±0.08mm，达到预设控制目标。

模具补偿结构可有效平衡截面各区域流动阻力，抵消挤压过程弹性回弹与热收缩带来的尺寸误差，型材表面成型缺陷大幅减少，表面粗糙度下降 29%，高精度型材为高效散热提供基础条件。

5.2 灯具散热性能与能效提升可行性校核

依托稳态热传导、自然对流换热理论建立热仿真模型，对优化前后灯具散热总成热阻、芯片结温、光效开展量化校核。优化前传统散热结构整体热阻 1.78℃/W，芯片满载结温 91℃；优化后散热总成热阻降至 1.29℃/W，传导换热效率提升 26.8%，自然对流换热效率提升 21.5%，芯片最高工作温度稳定 72℃。

能效层面，芯片工作温度降低大幅抑制光衰，灯具光效提升 21%，额定使用寿命由 3 万小时延长至 5.2 万小时，设备后期维护更换成本显著降低。理论校核结果证明，模具补偿 + 散热结构协同优化方案具备较强工程实用性，可有效解决异形散热型材成型缺陷、防爆灯具散热不足、能效偏低等行业共性问题。

6 结论

本文以防爆 LED 灯具异形不等壁厚铝合金散热型材为研究载体，围绕挤压成型金属流动均衡控制、模具多维度补偿设计、灯具散热结构热性能优化开展系统性理论分析与量化推演，得到主要结论如下：

异形不等壁厚铝型材挤压成型金属流动均匀性受模具结构、挤压工艺、材料性能共同影响，截面不对称程度、壁厚差值越大，薄壁与厚壁区域金属流速差值越高，型材翘曲、扭曲等成型缺陷风险显著提升；

差异化工作带长度、分级导流模、模孔回弹补偿相结合的模具优化方案，可均衡型材截面各区域金属流动阻力，将流速差值控制在 5% 以内，大幅提升型材成型尺寸精度与表面质量；

基于高精度成型型材优化散热翅片参数、热界面材料与内部对流通道，散热总成整体热阻下降 27.6%，LED 芯片稳态结温控制在 75℃以内，灯具综合发光能效提升 16%~21%，散热性能与防爆密封性能可同步达标；

理论校核验证整套优化方案具备良好可行性，可为化工、矿用防爆 LED 灯具散热型材模具开发、热结构轻量化高能效设计提供完整理论支撑。

本文仅完成理论推演与仿真校核，缺少实物挤压试验、灯具热性能实测数据支撑。后续研究可开展型材挤压试制、灯具温升对比试验，进一步完善异形截面模具补偿计算体系，持续挖掘防爆 LED 照明设备散热与能效提升空间。

参考文献

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