CN101691978A - 铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法 - Google Patents

铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法，包括：蒸发板采用高强铝合金板材，由上板、下板、进口管和出口管构成，两块高强铝合金板通过固相搅拌摩擦连接方法重叠焊接在一起，进口管和出口管插于两块高强铝合金板之间的上下两端，使用电弧焊接方法与高强铝合金蒸发板本体相连，再通过模具和高压胀形工艺使蒸发板最后成型。

Description

铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，特别是一种铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法。
背景技术
普通的蜂窝型蒸发板一般是采用长1.2～1.8m、宽0.5～1.2m的两块1～3mm厚的304不锈钢板通过电阻滚焊的方法焊接而成，经高压气体对铝合金蒸发板进行胀形，使之成型为表面凹凸相间具有酒窝状波纹起伏的中空流道蜂窝型蒸发板，让冷媒(如R-22或氨)在中空流道中流动。由于蜂窝型蒸发板上的焊道多、分布密，电阻滚焊的方法焊接热输入较大，而且因为不锈钢线膨胀系数大、导热系数低(17w/m×kJ左右)，电阻焊接时容易产生较大的焊接残余应力，导致蜂窝型蒸发板焊接加工后和随后的使用过程中容易发生变形和翘曲，因此需要采用一种更适合的焊接方法来焊接蜂窝型蒸发板。
铝合金具有独特的物理化学性能，它密度小，电阻率小，线膨胀系数大和导热系数大。铝合金的密度比不锈钢小得多，导热系数比不锈钢大得多。采用铝合金来代替不锈钢不但可以减轻蜂窝型蒸发板的重量，更能够减小焊接变形的发生，提高蜂窝型蒸发板的工作效率。
普通的铝合金蒸发板是由铝合金型材经过焊接而成的平行流蒸发板，铝合金型材壁厚、结构成型复杂，使得铝合金平行流蒸发板的重量大，消耗铝合金材料多，成本高，而且采用常规熔化焊接工艺成型的铝合金蒸发板质量不太稳定，蒸发板的热交换效率不太高。
搅拌摩擦焊是一种新型固相焊接方法，其焊缝中心的最高温度仅为熔化温度的80％，所以搅拌摩擦焊时不会产生与金属熔化有关的焊接缺陷。由于搅拌摩擦焊温度相对较低，焊接热输入较小，焊接后结构的残余应力或变形较小。同时，搅拌摩擦焊是一种绿色焊接方法，焊接前及焊接过程中对环境的污染小。因此，采用搅拌摩擦焊来加工成型蜂窝型蒸发板可以减小焊接热输入、减小了焊接残余应力，控制蜂窝型蒸发板的焊接变形，并且搅拌摩擦焊接效益高，不需要其他填充焊料，对环境污染小，经济效益较高。
通过采用高强铝合金材料和搅拌摩擦焊接加工成型方法能有效地解决蜂窝型蒸发板焊接变形和翘曲问题，使冷媒和冷凝机油流动均匀、通畅，提高蜂窝型蒸发板的热交换能力，减少对材料、加工、人力资源的浪费，对于节能、资源友好的可持续经济发展具有十分重要的意义。
发明内容
针对现有蜂窝型蒸发板及其加工成型技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种新型材料结构的蜂窝型蒸发板及其加工成型方法，特别是采用新型高强铝合金材料和结构形式，代替传统的不锈钢材料和铝合金型材的结构形式来设计、加工、制造蜂窝型蒸发板，提高蜂窝型蒸发板的工作效果，减轻蜂窝型蒸发板的重量，减小焊接残余应力，减小焊接变形以及使用过程中发生的变形与翘曲，使蜂窝型内的冷媒流道均匀，冷媒流动阻力小，提高蜂窝型蒸发板抗冷热冲击与疲劳的性能。
本发明的目的是这样实现的：铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法，蒸发板采用高强铝合金板材，由上板、下板、进口管和出口管构成，两块高强铝合金板通过固相搅拌摩擦连接方法重叠焊接在一起，进口管和出口管插于两块高强铝合金板之间的上下两端，使用电弧焊接方法与高强铝合金蒸发板本体相连，再通过模具和高压胀形工艺使蒸发板最后成型；铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法包括以下步骤：
1).按结构设计要求将铝合金板进行板片加工和处理：采用预覆液压膜工艺，确保在剪切、冲压、轧制等铝合金板材加工过程中不伤害板片和表面，板材下料采用数控切割、一次成型；对板材表面进行处理，清除加工热应力，增强表面强度，提高涂膜附着力，并对铝合金板的表面进行清洁和干燥处理；
2).将铝合金上板和铝合金下板重叠在一起，按设计要求采用搅拌摩擦固相点焊方法将两块铝合金板按一定排列方式从中心向四周进行点焊，形成蜂窝状焊点；按设计要求在铝合金蒸发板上确定隔离焊道，用搅拌摩擦固相焊接方法对每条隔离焊道进行跳跃式交替顺序施焊，形成铝合金蜂窝型蒸发板的隔离流道。
3).按设计要求在两块重叠的铝合金蒸发板上用搅拌摩擦固相焊接方法密封焊合四周，形成周围环形焊道，只留下一个进气口通道和一个出气口通道；将进口管和出口管插于进气口通道和出气口通道，并采用电弧焊接方法将进口管和出口管与铝合金蒸发板本体密封相连，形成具有蜂窝状焊点的铝合金蒸发板；
4).按设计要求采用充胀定位模具，经高压充胀对铝合金蒸发板进行胀形，使之成型为表面凹凸相间具有酒窝状波纹起伏的中空流道蜂窝型蒸发板，将左右两侧非焊接边折弯扁平成加强筋。
所述的铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法，进口管和出口管是铝合金管，或铜合金管，或是通过电阻压焊的方法制造的铝铜复合管。
所述的铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法，采用无匙孔的固相搅拌摩擦点焊方法，焊接时使用夹具将两块板材固定装配在一起，采用数控技术编程，按照跳跃式交叉焊接顺序从中心向周围进行点焊加工；采用无匙孔的固相搅拌摩擦焊接方法焊接隔离焊道的直缝；焊接时在工件背面采用水冷铜板方法降低焊接热输入和残余应力。
铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法，铝合金板材表面处理技术是铝合金蒸发板内表面板材采用表面微锻处理技术，或表面喷丸纳米化处理技术，或机械研磨表面纳米化处理技术，或表面涂敷处理，防腐防垢；铝合金蒸发板外表面板材采用微弧阳极氧化的硬质处理技术，或机械研磨表面纳米化处理和抛光处理，或涂敷，或喷涂，或电镀，使表面形成保护膜，防腐防垢，并使结出的冰块表面光滑，易于脱离。
所述的铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法，其特征在于：铝合金板材表面处理技术包括对铝合金上板、铝合金下板的叠合面采用机械微滚压方法形成表面微花纹，将两块铝合金板材表面有微花纹的那一面相对重叠在一起进行焊接，使铝合金蒸发板的内表面布满微凹凸点。
所述的铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法，充胀定位模具采用以45号钢为基体堆焊Cr-Ni-W的复合双金属模具；蒸发板上采用搅拌摩擦焊接而成的蜂窝状焊点、环形焊道和隔离焊道被模具压制夹持，优化设计的模具内沟槽控制蒸发板表面凹凸相间具有酒窝状波纹起伏的中空流道的最终充胀成所设计的形状，使蜂窝型蜂蒸发板内的冷媒流道均匀，冷媒流动阻力小，流道不易形成死角，冷媒和冷凝机油不易积聚，回油通畅。
所述的铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法，搅拌摩擦焊接参数是：旋转速度为800～2000r/min，焊接速度为100～300mm/min，搅拌针与被焊金属之间的作用力在15～30KN。
所述的铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法，蜂窝状焊点(5)是按照等边菱形，或者正方形，或者等边三角形的规律进行排列和分布。
上述加工成型方法适用于采用镁合金材料、或不锈钢材料、或钛合金材料的蜂窝型蒸发板及其加工制造。
本发明利用导热系数(160w/m×kJ)比不锈钢(17w/m×kJ)大，而密度(2800kg/m3)比不锈钢轻(7900kg/m3)的铝合金板代替不锈钢板不但可以减小焊接残余应力、减小焊接变形，并且可以提高蜂窝型蒸发板的冷却效果，减轻由不锈钢材料制造的蜂窝型蒸发板的重量，节约铝合金材料和加工成本。本发明的铝合金蜂窝型蒸发板是采用无匙孔的搅拌摩擦固相焊接方法，并且在工件背面采用水冷方法降低焊接热输入和热应力。由于搅拌摩擦焊是一种固相连接方法，在固相状态下完成两工件的连接，降低了焊接热输入、减小了焊接残余应力、能有效地防止蜂窝型蒸发板加工后和使用过程中容易发生的变形和翘曲。并且在焊接时不需要对工件表面进行复杂的清理，减小了焊接工序、提高了焊接效益、减小了对环境的污染、增加了经济效益。铝合金蒸发板的内表面布满微凹凸点，增加铝合金蒸发板的内表面的粗糙度，从而提高了蜂窝型蒸发板的换热效果，提供汽化核心，降低温度过冷度。本发明充胀定位模具采用以45号钢为基体堆焊Cr-Ni-W的复合双金属模具，降低了模具成本，延长了使用寿命。本发明采用模具控制蒸发板表面凹凸相间具有酒窝状波纹起伏的中空流道的最终形状，使蜂窝型内的冷媒流道均匀，冷媒流动阻力小。
相比现有技术，本发明具有如下优点：
1.采用高强铝合金代替不锈钢能够在满足强度的条件下，减小焊接残余应力、减小焊接变形、提高蜂窝型蒸发板的换热效率，减轻蜂窝型蒸发板的重量。
2.采用搅拌摩擦焊代替电阻滚焊方法焊接蜂窝型蒸发板，使得焊接温度低，焊接热输入少，产生的焊接残余应力小，焊接残余变形小。并且焊接过程中不需要特殊的清理工作，不需要其他填充材料，焊接适应性好、效率高、易于实现自动焊。在焊接过程中无烟尘、辐射、飞溅、噪音及弧光等有害物质产生，对环境污染少。
3.铝合金板蒸发板内表面板材采用表面微锻处理技术，或表面喷丸纳米化处理技术，或机械研磨表面纳米化处理技术，或表面涂敷处理，防腐防垢，提高耐蚀性；铝合金蒸发板外表面板材采用阳极氧化的硬质处理技术，提高了强度，形成一层保护膜，防腐防垢，使结出的板冰表面光滑易于脱离。
4.铝合金蒸发板的内表面布满微凹凸点，增加铝合金蒸发板的内表面的粗糙度，从而提高了蜂窝型蒸发板的换热效果，提供了汽化核心，降低了温度过冷度。
5.充胀定位模具采用以45号钢为基体堆焊Cr-Ni-W的复合双金属模具，降低了模具成本，延长了使用寿命；采用模具控制蒸发板表面凹凸相间具有酒窝状波纹起伏的中空流道的最终形状，使蒸发板内的冷媒流道均匀，冷媒流动阻力小，流道不易形成死角，冷媒和冷凝机油不易积聚，回油通畅。
6.本发明提高了铝合金蜂窝型蒸发板抗由温度和压力变化引起的疲劳能力，热效率高，冷媒的充注量少，流体惯性小，反应灵敏，满足了对日益上涨的能耗降低的要求，符合环保标准，减少了对材料、加工和人力资源的浪费；并且具有占地少，可拆卸检查清洗，板片数量和形式可控可变，制冷剂消耗少的优点。
7.本成型方法不仅适用于铝合金，而且还适用于采用镁合金材料、不锈钢材料、钛合金材料的蜂窝型蒸发板及其加工制造过程。
附图说明
图1本发明的铝合金蜂窝型蒸发板结构图；
图2胀形后所得的蜂窝型蒸发板中空流道剖面图；
图3铝合金板有微花纹一面的平面示意图；
图4有微花纹的铝合金钢板的剖面示意图；
图5内表面布满微凹凸点的蜂窝型蒸发板剖面图；
图中，1.上板；2.下板；3.进口管；4.出口管；5.蜂窝状焊点；6.隔离焊道；7.环形焊道；8.中空流道。
具体实施方式
通过采用高强铝合金板材，利用搅拌摩擦焊接加工成型方法，有效解决蜂窝型蒸发板焊接变形和翘曲问题，使冷媒和冷凝机油流动均匀、通畅，提高蜂窝型蒸发板的热交换效率，满足蒸发板对冷热冲击的要求，减少对材料、加工和人力资源的浪费，实现对高效、优质、节能、环境友好的高质量铝合金蜂窝型蒸发板的设计及其加工成型方法。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法，蒸发板采用高强铝合金板材，由上板1、下板2、进口管3和出口管4构成，两块高强铝合金板通过固相搅拌摩擦连接方法重叠焊接在一起，进口管3和出口管4插于两块高强铝合金板之间的上下两端，使用电弧焊接方法与高强铝合金蒸发板本体相连，再通过模具和高压胀形工艺使蒸发板最后成型；铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法包括以下步骤：
步骤A.按结构设计要求将铝合金板进行板片加工和处理：采用预覆液压膜工艺，确保在剪切、冲压、轧制等铝合金板材加工过程中不伤害板片和表面，板材下料采用数控切割、一次成型；对板材表面进行处理，清除加工热应力，增强表面强度，提高涂膜附着力，并对铝合金板的表面进行清洁和干燥处理；
步骤B.将铝合金上板1和铝合金下板2重叠在一起，按设计要求采用搅拌摩擦固相点焊方法将两块铝合金板按一定排列方式从中心向四周进行点焊，形成蜂窝状焊点5；按设计要求在铝合金蒸发板上确定隔离焊道7，用搅拌摩擦固相焊接方法对每条隔离焊道7进行跳跃式交替顺序施焊，形成铝合金蜂窝型蒸发板的隔离流道。
步骤C.按设计要求在两块重叠的铝合金蒸发板上用搅拌摩擦固相焊接方法密封焊合四周，形成周围环形焊道6，只留下一个进气口通道和一个出气口通道；将进口管3和出口管4插于进气口通道和出气口通道，并采用电弧焊接方法将进口管3和出口管4与铝合金蒸发板本体密封相连，形成具有蜂窝状焊点的铝合金蒸发板；
步骤D.按设计要求采用充胀定位模具，经高压充胀对铝合金蒸发板进行胀形，使之成型为表面凹凸相间具有酒窝状波纹起伏的中空流道8蜂窝型蒸发板，将左右两侧非焊接边折弯扁平成加强筋。
铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法，进口管3和出口管4是铝合金管，或铜合金管，或是通过电阻压焊的方法制造的铝铜复合管。
铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法，采用无匙孔的固相搅拌摩擦点焊方法，焊接时使用夹具将两块板材固定装配在一起，采用数控技术编程，按照跳跃式交叉焊接顺序从中心向周围进行点焊加工；采用无匙孔的固相搅拌摩擦焊接方法焊接隔离焊道7的直缝；焊接时在工件背面采用水冷铜板方法降低焊接热输入和残余应力。
铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法，铝合金板材表面处理技术是铝合金蒸发板内表面板材采用表面微锻处理技术，或表面喷丸纳米化处理技术，或机械研磨表面纳米化处理技术，或表面涂敷处理，防腐防垢；铝合金蒸发板外表面板材采用微弧阳极氧化的硬质处理技术，或机械研磨表面纳米化处理和抛光处理，或涂敷，或喷涂，或电镀，使表面形成保护膜，防腐防垢，并使结出的冰块表面光滑，易于脱离。
铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法，铝合金板材表面处理技术包括对铝合金上板1、铝合金下板2的叠合面采用机械微滚压方法形成表面微花纹，将两块铝合金板材表面有微花纹的那一面相对重叠在一起进行焊接，使铝合金蒸发板的内表面布满微凹凸点。
铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法，充胀定位模具采用以45号钢为基体堆焊Cr-Ni-W的复合双金属模具；蒸发板上采用搅拌摩擦焊接而成的蜂窝状焊点5、环形焊道6和隔离焊道7被模具压制夹持，优化设计的模具内沟槽控制蒸发板表面凹凸相间具有酒窝状波纹起伏的中空流道8的最终充胀成所设计的形状，使蜂窝型蜂蒸发板内的冷媒流道均匀，冷媒流动阻力小，流道不易形成死角，冷媒和冷凝机油不易积聚，回油通畅。
铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法，搅拌摩擦焊接参数是：旋转速度为800～2000r/min，焊接速度为100～300mm/min，搅拌针与被焊金属之间的作用力在15～30KN。
铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法，蜂窝状焊点5是按照等边菱形，或者正方形，或者等边三角形的规律进行排列和分布。
本发明的成型方法不仅适用于铝合金，而且还适用于采用镁合金材料、不锈钢材料、钛合金材料的蜂窝型蒸发板及其加工制造过程；本发明采用高强铝合金材料和搅拌摩擦焊接加工成型方法能有效地解决蜂窝型蒸发板焊接变形和翘曲问题，使冷媒和冷凝机油流动均匀、通畅，提高了铝合金蜂窝型蒸发板抗由温度和压力变化引起的疲劳能力，热效率高，冷媒的充注量少，流体惯性小，反应灵敏，满足了对日益上涨的能耗降低的要求，符合环保标准，减少了对材料、加工和人力资源的浪费，节约能源；并且具有占地少，可拆卸检查清洗，板片数量和形式可控可变，制冷剂消耗少的优点。而且，即使产生冰晶现象也不会对本发明的蜂窝型蒸发板造成伤害。
实施例1：
参见图1或图2或图3，两块长1.5m、宽0.8m、厚1.8mm的6063铝合金板进行板片加工和处理，对铝合金板材的内外表面进行表面喷丸纳米化处理，对叠合的内表面进行机械微滚压形成表面微花纹，采用搅拌摩擦焊的方法，以旋转速度为800r/min，焊接速度为150mm/min的焊接工艺将两块铝合金板共880个等间距点焊接成蜂窝型焊点，4条隔离焊道长1300mm，并将四周密封焊合；将铝铜复合进口管和铝铜复合出口管采用电弧焊接方法与铝合金蒸发板本体密封相连；采用充胀定位模具，经高压气体对铝合金蒸发板进行胀形，使之成型为具有表面凹凸相间具有酒窝状波纹起伏的中空流道蜂窝型蒸发板；再进行其他焊后工序，施压，如去应力退火、打磨、上漆等就最后形成了铝合金蜂窝型蒸发板。

Claims (8)

1.铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法，其特征在于：蒸发板采用高强铝合金板材，由上板(1)、下板(2)、进口管(3)和出口管(4)构成，两块高强铝合金板通过固相搅拌摩擦连接方法重叠焊接在一起，进口管(3)和出口管(4)插于两块高强铝合金板之间的上下两端，使用电弧焊接方法与高强铝合金蒸发板本体相连，再通过模具和高压胀形工艺使蒸发板最后成型；铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法包括以下步骤：
步骤A.按结构设计要求将铝合金板进行板片加工和处理：采用预覆液压膜工艺，确保在剪切、冲压、轧制等铝合金板材加工过程中不伤害板片和表面，板材下料采用数控切割、一次成型；对板材表面进行处理，清除加工热应力，增强表面强度，提高涂膜附着力，并对铝合金板的表面进行清洁和干燥处理；
步骤B.将铝合金上板(1)和铝合金下板(2)重叠在一起，按设计要求采用搅拌摩擦固相点焊方法将两块铝合金板按一定排列方式从中心向四周进行点焊，形成蜂窝状焊点(5)；按设计要求在铝合金蒸发板上确定隔离焊道(7)，用搅拌摩擦固相焊接方法对每条隔离焊道(7)进行跳跃式交替顺序施焊，形成铝合金蜂窝型蒸发板的隔离流道。
步骤C.按设计要求在两块重叠的铝合金蒸发板上用搅拌摩擦固相焊接方法密封焊合四周，形成周围环形焊道(6)，只留下一个进气口通道和一个出气口通道；将进口管(3)和出口管(4)插于进气口通道和出气口通道，并采用电弧焊接方法将进口管(3)和出口管(4)与铝合金蒸发板本体密封相连，形成具有蜂窝状焊点的铝合金蒸发板；
步骤D.按设计要求采用充胀定位模具，经高压充胀对铝合金蒸发板进行胀形，使之成型为表面凹凸相间具有酒窝状波纹起伏的中空流道(8)蜂窝型蒸发板，将左右两侧非焊接边折弯扁平成加强筋。
2.按照权利要求1所述的铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法，其特征在于：进口管(3)和出口管(4)是铝合金管，或铜合金管，或是通过电阻压焊的方法制造的铝铜复合管。
3.按照权利要求1所述的铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法，其特征在于：采用无匙孔的固相搅拌摩擦点焊方法，焊接时使用夹具将两块板材固定装配在一起，采用数控技术编程，按照跳跃式交叉焊接顺序从中心向周围进行点焊加工；采用无匙孔的固相搅拌摩擦焊接方法焊接隔离焊道(7)的直缝；焊接时在工件背面采用水冷铜板方法降低焊接热输入和残余应力。
4.按照权利要求1所述的铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法，其特征在于：铝合金板材表面处理技术是铝合金蒸发板内表面板材采用表面微锻处理技术，或表面喷丸纳米化处理技术，或机械研磨表面纳米化处理技术，或表面涂敷处理，防腐防垢；铝合金蒸发板外表面板材采用微弧阳极氧化的硬质处理技术，或机械研磨表面纳米化处理和抛光处理，或涂敷，或喷涂，或电镀，使表面形成保护膜，防腐防垢，并使结出的冰块表面光滑，易于脱离。
5.按照权利要求1所述的铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法，其特征在于：铝合金板材表面处理技术包括对铝合金上板(1)、铝合金下板(2)的叠合面采用机械微滚压方法形成表面微花纹，将两块铝合金板材表面有微花纹的那一面相对重叠在一起进行焊接，使铝合金蒸发板的内表面布满微凹凸点。
6.按照权利要求1所述的铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法，其特征在于：充胀定位模具采用以45号钢为基体堆焊Cr-Ni-W的复合双金属模具；蒸发板上采用搅拌摩擦焊接而成的蜂窝状焊点(5)、环形焊道(6)和隔离焊道(7)被模具压制夹持，优化设计的模具内沟槽控制蒸发板表面凹凸相间具有酒窝状波纹起伏的中空流道(8)的最终充胀成所设计的形状，使蜂窝型蜂蒸发板内的冷媒流道均匀，冷媒流动阻力小，流道不易形成死角，冷媒和冷凝机油不易积聚，回油通畅。
7.按照权利要求1所述的铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法，其特征在于，搅拌摩擦焊接参数是：旋转速度为800～2000r/min，焊接速度为100～300mm/min，搅拌针与被焊金属之间的作用力在15～30KN。
8.按照权利要求1所述的铝合金蜂窝型蒸发板及其加工成型方法，其特征在于：蜂窝状焊点(5)是按照等边菱形，或者正方形，或者等边三角形的规律进行排列和分布。
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