CN102202812A

CN102202812A - 铝热交换器集流箱的成型方法

Info

Publication number: CN102202812A
Application number: CN2009801379830A
Authority: CN
Inventors: R·韦斯特高; B·奥尔松
Original assignee: Sapa Heat Transfer AB
Current assignee: Granges Sweden AB
Priority date: 2008-10-08
Filing date: 2009-09-23
Publication date: 2011-09-28
Also published as: TW201028229A; EA022670B1; ES2400074T3; EP2349602B1; KR20110069843A; SE0802120A1; DK2349602T3; BRPI0920023A2; CA2738747A1; PL2349602T3; MX2011003224A; TWI516319B; WO2010040642A1; EA201170542A1; JP2012505080A; ZA201101793B; SE533223C2; EP2349602A1; US20110240277A1

Abstract

本发明涉及一种生产热交换器集流箱的方法，包括以下步骤：提供管，其具有由AA3XXX铝合金制成的芯；可选择地预热所述管；将所述管插入成型工具，所述成型工具具有形状为最终集流箱的成型腔室；塞住所述管的端部；如果所述管还没得到充分预热的话，对所述管加热至成型温度，并从内部用气体对所述管加压使之与所述工具腔室的形状一致，进而获得最终的集流箱；从所述工具上取下所述集流箱；并冷却所述集流箱。该方法能够高效率地产出AA3XXX铝合金制的集流箱。本发明还涉及一种生产热交换器的方法，其中所述集流箱被连接到多个管和插入所述管之间的瓦楞翅片，然后将所述翅片钎焊到所述管上。

Description

铝热交换器集流箱的成型方法

技术领域

本发明涉及的是集流箱(或称上水箱或上水室，header tanks)及生产集流箱的方法，所述的集流箱也称为歧管箱(manifold tanks)，其用于钎焊(brazed)的机动或固定铝热交换器，具有几乎任意的箱的形状。本发明还涉及一种包括了成型好的集流箱的热交换器及其制造方法。

背景技术

如今机动车工程师要以合理的形式将所有引擎室(underhood)零件配装和组装起来所面临的困难与日俱增。引擎越来越强劲，数量越来越多的不同零件被配装起来对引擎进行支撑并为乘客提供不断升级的驾驶体验和舒适安全。这使引擎室的可利用空间成了稀缺资源。热交换器几乎默认地具有矩形的形状，这局限了机动车工程师将热交换器组装入汽车中合适位置的考虑。对热交换器几何形状的许多局限性在于用现有的生产方法制作这种不规则或定制形状的热交换器致使生产集流板(header plates)和箱的成本过高，经济上不可行。

引擎室的舒适安全和性能表现所用的零件数量越来越多，也使得车辆前端越来越比后端沉，但这是不期望发生的。在普通的客运车辆中，热交换器如CAC、冷凝器、散热器、和EGR冷却器需要被设置在靠近车辆最前方，这样可以促进充足的热交换性能。本发明在不牺牲性能的情况下促进这些零件的减重，与此同时降低了成本并增加了几何形状的填装灵活性。

最普遍使用到的热交换器集流箱的生产方法是提供一种平轧钎焊片材(flat rolled brazing sheet)，并将之成型成带有接片(tabs)和槽的集流箱，接片用于压接(crimping)出塑料箱，槽用于插入用来循环冷却流体的流管，最终生产出成型集流箱的最终形状。正常情况下，这是通过将平轧片材切割为正确尺寸、用冲床打出四边制作出矩形边缘的片材(用作接片)、深拉(deep drawing)该片材形成集流板并最终冲压出用于将流管/翅片填装插放在其中的槽。此后发生的是常规的钎焊工序。钎焊之后，集流箱表面上的包层已经熔化并流动到集流箱接头处形成具有正确尺寸形状的嵌边。此后，箱就被压接到位。

对于散热器和加热器来说，箱普遍是用聚合材料制成的，而对CAC来说，它通常是铝制成的。先前用来成型集流箱的另一种技术是液压成型法。

上述的制造工序成本很高并且对工具尺寸的控制和工具/片材接触的润滑都有极为苛刻的要求。它还对润滑剂残留物的丢弃和清理以及例如在生产地点冲压产生的金属碎片的丢弃有一定要求，另外还对受控机器的人员配备、占地面积和投资这些增加成本的因素有要求。另外，由于深拉是在室温下做出的，因此就局限于对冷作工具钢的使用，在正常情况下要将这种工具钢加工到紧配合公差(tight tolerances)非常困难昂贵。

通过注塑成型制造塑料箱是一种相对缓慢又费钱的工序，它在机械加工、工具作业和控制方面都要求大量投资。箱是热交换器的多功能块，它还可被制作成带有固定件和使诸如箱内机油冷却器和传感设备容易接入(easy-to-access)的组装部位。由于塑料材料与铝相比起来相当地不结实，所以箱壁厚度也很厚，并且箱被制作成带有一体成型的外部加强框架结构(frame-works)以达到足够大的抗扭刚度。因此，尽管箱是用低密度材料生产的，它还是变得很重。但是通过使用晶须或纤维增强也有可能使刚度可观地增大，但这会使成本也可观地增加。

对于CAC，工作温度可以超过塑料材料由于失去太多强度而无法实际应用的温度。因此箱现今通常都用铝制作。这些箱最经常的是使用模铸技术进行制作，该技术普遍将箱壁厚度局限在高于1.5mm的范围内。这增加了热交换器的重量。同样，铸铝也并不易于被压接在集流箱上，常用的接合方法是通过用MIG或TIG进行熔焊(melt welding)。这种类型的箱和接合方法正常情况下能提供强有力的组件。但焊接昂贵、费时并大大增加了热交换器的重量，特别是由于箱被制成的厚度很大，而焊接必须产生在这些厚度上，而集流板也需要很厚才能适配得到成功的焊接接缝。

发明内容

因此，存在着对有效并灵活的生产集流箱(或称上水箱或上水室，header tanks)的方法的需求。

本发明涉及的是用AA3XXX铝合金制作的集流箱。

AA3XXX这组合金是热交换器集流箱惯用的，它们通过迄今为止典型用来制造集流箱的方法很难成型为期望的形状。这些合金在室温下不具备在铸造轧制状态下对集流箱高级塑形所要求的成型性能。

先前的方法已经不能满足人们对集流箱的长期渴求，人们期望集流箱可被钎焊并且可被成型为复杂形状。根据本发明，提供了一种通过在所附的权利要求中提出的步骤制造这种集流箱的方法。

要进行一次成功的高质量成型无可避免地需要断裂时伸长率超过20％。为了获得非常好的成型性能，包层钎焊片材料的芯锭处于接受高温匀质化处理的工艺状态。匀质化处理生成出一种热轧冷轧之后的微观结构，如果操作正确的话退火能够增加合金条的成型性能。在匀质化过程中，合金中存在的大部分锰析出形成大的分散体颗粒，由此固溶体(solid solution)丢失了可能由锰给出的部分强度。AA3XXX合金的抗腐蚀性也会受到匀质化处理的消极影响。与热轧之前仅进行预热相比，匀质化和退火还会造成材料的额外成本。因此我们期望能避免对准备作为热交换器中集流箱的合金进行匀质化和退火。

为了在交货状态获得的伸长率高，材料是以完全软化的O回火度(O-tamper)或有时以H112回火度(即退火状态)交付。该操作也给热交换器材料增加了成本。通过用本发明的方法生产热交换器集流箱，管合金不需进行匀质化，这使得非匀质化的铝合金管能有效进行成型。进一步来说，管坯(tube blank)在成型前不需退火，这使该方法更有成本效率。

本发明提供了一种生产热交换器集流箱的方法，包括以下步骤：提供管，其具有由AA3XXX铝合金制成的芯；可选择地预热所述管；将所述管插入成型工具，所述成型工具具有最终集流箱形状的成型腔室；塞住所述管的端部；如果所述管还没得到充分预热的话，将所述管加热至成型温度，并用气体对所述管进行内部加压使之与所述工具腔室的形状一致，进而获得最终的集流箱；从所述工具上取下所述集流箱；并冷却所述集流箱。该方法能够高效地产出AA3XXX铝合金制的集流箱。

通过使用不进行匀质化的管材可以获得改善的抗腐蚀和机械性质。没有进行退火的管有利于节约成本和减少对环境的负担。因此根据本发明的方法生产的非匀质化AA3XXX合金集流箱与用相应但匀质化过的AA3XXX合金制成的深拉集流箱相比会具有更高的强度和改善的抗腐蚀性。

管芯可具有至少一层用铝合金制成的包层，以增强钎焊性能。继成型之后，在成型的集流箱中可制作出为管或连接部设置的槽，以便于热交换器的制造。

成型过程中所用的气体压力可优选为高于85巴，以使管抵靠工具的成型腔室而实现有效的成型。

如果需要的话，在对管进行成型的过程中可对管端部施加轴向压力，以便在成型过程中将材料供给进成型腔室中。

进一步来说，在对管进行成型的过程中可在其端部上形成连接部、螺纹或锚栓，以使热交换器的组装更加容易。

根据箱的形状和铝坯厚度可能会需要到200巴以上的压力。

形成了集流箱的管可用轧制的铝合金坯制作，所述坯被焊接起来生产出所述管。由此，管可被高效率地提供。用轧制的钎焊包层铝合金坯生产所述管是特别有优势的，因为这是一种获得钎焊包层管的有效方法，钎焊包层管非常昂贵并且极端地难于模压。

备选地，所述管可用模压的铝合金制成，这在某些情况下是有优势的，特别是当所述管上未设有钎焊包层时。

本发明进一步提供了一种热交换器集流箱，其已经用上面的热金属气压成型法(hot metal gas forming)成型。

本发明还提供了一种热交换器，其包括权利要求的集流箱，其中所述热交换器是非矩形的形状。

本发明进一步提供了一种生产热交换器的方法，其中所述集流箱被连接到多个管和插入所述管之间的波纹型翅片(corrugated fins)，然后将所述翅片钎焊到所述管上。

热金属气压成型法能够为热交换器构建出由AA3XXX合金制成的几乎任意形状的铝集流箱。

根据本发明用于所述热交换器的集流箱重量轻，并与竞争的技术(competing technology)相比它们可在低成本下达到优化。

不使用塑料箱使材料回收(material recovery)更容易。与竞争的铝成型技术，如液压成型法或深拉技术比起来，所述箱的横截面几何形状可在更大的限定范围内发生改变。做过的抗拉试验已经表明所述集流箱的材料成型性能在当成型时温度增加的时候显著地增大，这意味着当温度升高到400℃时断裂时的伸长率可增加到超过100％，与之相比的是室温下伸长率为20-30％。

根据本发明制作的集流箱的几何形状不局限于制作矩形的热交换器——不规则形状也一样有可能。关于形状，可以较大的灵活性形成非矩形的热交换器。

根据本发明制作的集流箱提供的材料产量很高，比现今所使用的深拉或液压成型技术都高。

根据本发明的集流箱便于经济地生产热交换器，这允许机动车工程师在引擎室的区隔中进行更高效率的填装，与此同时也开启了优化热交换性能的可能性。

根据本发明制作的集流箱可使用具有更高强度和更高抗腐蚀性的材料制作，并且所述材料可根据更环保的工艺路线(process route)进行制作，所述的环保工艺路线与竞争技术相比存在更少的热机械操作。

附图说明

本发明的实施方式通过接下来结合附图的详细说明将会变得清楚易懂。本发明的实施方式是通过各幅附图中实施例而非限定的方式进行解释说明的。

图1是依照本发明一个实施方式的热交换器集流箱的视图。

图2是图1中的热交换器集流箱旋转90°后的视图。

图3是根据本发明集流箱的管横截面形状的选集。

图4显示了非矩形的热交换器的示意图，其中包括了根据本发明生产的集流箱。

图5显示了根据本发明的热交换器的侧视图，其中集流箱横跨其长度轴弯曲。

具体实施方式

本发明的集流箱是用下列工艺步骤生产的：i)根据标准行业惯例钎焊片材产品，ii)焊接，并可能弯折用钎焊片材制成的管，iii)在工具中对管进行热金属气压成型，所述工具的内部根据集流箱产品进行设计，iv)制作为流管及与所述热交换器系统余部连接设置的槽。

钎焊片材是由在片材表面的一侧或两侧设有包层的芯材组成。芯材选自AA3XXX系列中熔化温度超过610℃的材料，比如AA3003或AA3005。正常情况下，钎焊包层选自低熔点亚共晶(low melting hypoeutectic)AA4XXX合金，比如AA4343和AA4045。

更进一步说，任一侧或两侧都可用多于一种的材料进行包层，这称之为多包层。另外，特别是在散热器和加热器但也可以是其它热交换器的管条(tube strip)上，包层可由电化学平衡的材料制成，从而在腐蚀性环境下它能牺牲保护芯不受侵蚀。因此芯材可以在一侧或两侧包层或根本不在侧边上包层。包层可以是一侧或两侧上的单层或双层，包层可包括低熔点的钎焊或牺牲性包层或存在于钎焊和芯之间以减少钎焊与芯之间通过诸如扩散的手段产生的相互作用的包层。

包层通过热轧接着冷轧和必要的热处理被施加在芯上，以便在切割成正确宽度之前达到正确的中间和最终回火度(tampers)。用钎焊片材制成的产品随后可使用受控气氛钎焊法(controlled atmosphere brazing)(CAB)或真空钎焊法进行钎焊。

6XXX或5XXX合金被普遍地用于不打算(用CAB)做钎焊的产品。这些合金被用于需要高强度的产品，比如建筑细部。6XXX或5XXX合金的强度是通过高含量的Mg获得的。由于镁和焊剂间的反应使得对这些合金很难进行CAB钎焊。

对于散热器制造商来说，对先前可利用的集流箱芯材使用受控气氛钎焊术(CAB)出现了两个主要问题，即机械强度过低和抗腐蚀性过差。AA6063是一种Mg含量约为0.7重量％的可热处理合金，被认为不能以CAB工艺进行钎焊。AA6060含有大约0.4-0.5重量％的Mg，有可能进行钎焊，但它需要更多焊剂、特殊焊剂和特殊的焊剂施加技术，并且钎焊后的强度不足以满足某些应用。

在AlMgSi合金中，微小的Mg₂Si析出物在陈化(ageing)过程中形成，引起强度增加。因此要增加强度的明显办法看起来似乎是要增加Mg和Si的含量，从而允许更多Mg₂Si形成。但是，由于Mg在钎焊过程中与焊剂反应，这限制了Mg的量，Mg含量多于0.4％的合金都很难以CAB有效地进行钎焊。上面提及的AA6060和AA6063也表现出由晶间腐蚀(intergranular corrosion)导致的穿孔抗腐蚀性低(low perforation corrosion resistance)。

最多含有大约0.4％Mg的3XXX合金可以CAB钎焊。通过本发明的方法，克服了将3XXX合金成型为期望形状的困难。因此本发明的方法可以选取3XXX合金用于集流箱，而这使得集流箱能在接下来的阶段进行CAB钎焊。

根据本发明，集流箱生产中的一个中间产品是管。为了能够用包层或不包层的钎焊片材制成管，就需要用它制成焊接的管。现行的焊接方法可以是感应焊接、MIG、TIG、摩擦激励焊接(friction stir welding)或任何其它合适的焊接方法。

管可具有圆形、椭圆、方形、矩形、三角形或任何其它合适的对称或非对称横截面几何形状。管可被制成在其长度上具有不变或变化的横截面几何形状及尺寸大小，这取决于客户需求。选取一种避免在随后的工艺中有过多形变要求的横截面是一种明智的做法，但并不总是有必要这样做。并且，如果管被焊接为使横截面的几何形状沿长度不变，那么焊接操作中材料的产量在理论上是100％，焊接操作之后是定长切割(cut-to length)的操作。

机动车产业内所使用的热交换器典型地具有矩形的形状。这已经对热交换器在汽车中找到合适的位置组装产生了制约。在一些情况下，一种圆形、弯曲或阶梯型、或甚至是不规则形状的热交换器将会是组装到引擎室可利用空间中或以最佳方式使用引擎室的可利用空间以优化热交换性能的理想选择。

在这种情况下，期望提供的热交换器具有能与汽车中可利用的空间相适应，或与期望的流动模型相适应的形状。这种热交换器会需要特制的集流箱。本发明的方法能够成型具有任何期望的三维形状的集流箱。可想象到的形状有，例如环形、S形、L形或C形。集流箱可沿其长度轴和/或横跨其长度轴弯曲或弯折。流管沿集流箱长度成直线附接，这意味着整个热交换器将会呈现出与集流箱形状相对应的横截面形状。

因此存在着一种对非矩形的，如圆形热交换器的需求，原因包括引擎室的填装、热交换器的性能或只是定制产品。然后，这种需要会通过将用包层钎焊片材制成的焊接管弯折到具有合适曲率半径的形态的方式得到满足。备选地，S形、梯形、或不规则形状的集流箱可能是有需要的。

当弯折或弯曲的箱要被生产出来时，管可在热气压成型之前被弯折到合适的预造型(pre-shape)。管的弯折可通过使用任何适用于要生产的特定形状的弯折方法进行。弯折可以从环境温度或升高温度下开始以符合最终集流箱所要求的特定形状的需要。

管根据客户的需求被焊接和弯折，它可选择被任何合适的手段加热，比如熔炉、火焰、感应或使用加热过的工具。感应加热和火焰加热所具有的优点是热输入可被局限于管的所选区域上。这可被用作改变所选区域机械性质的一种手段，因为我们都知道材料温度对诸如屈服应力、极限抗拉应力、断裂时伸长率和成型性能的性质具有决定性的影响。根据合金类型、回火、片材厚度和制作集流箱所需形变量，期望的成型温度可在250℃到550℃之间变化。

管被放置在成型工具中，被制成使得工具的内表面与最终集流箱的外部几何形状相对应。工具可以是冷的(例如室温)，这种情况下管必须进行预热，但工具优选在成型之前或期间被加热到合适的升高温度。工具和管温的选择由管材的机械性质和成型性能以及集流箱的最终几何形状确定。

随后，管端部被塞住，管被连接到高压气体系统。成型过程中，管所处的温度在250℃到550℃之间。成型温度可通过在将管插入到成型腔室之前将管预热到该温度，或通过诸如感应的手段在成型过程中加热工具的方式达到。气体压力在管内增加，所述管通过发生形变的方式来响应增加的压力。压力增加直到管已经与工具表面一致为止。实际最终压力和气体压力增加速率除其它因素之外，是由该温度下管合金的机械性质、管壁厚度、最终的集流箱形状和管要达到期望形状所需发生的形变量确定。

成型之后，高压气体被排放出去，成型的产品被从工具上取下。气体可以是空气、氮气、惰性气体或任何其它合适的气态物质。成型过程中的压力相当低，大大低于诸如液压成型法中所采用的压力。250巴的近似上限应该足以使用于热交换器的铝合金材料成型为期望的形状。由于箱的成型过程中压力有限，因此在根据本发明的集流箱生产中所使用的成型工具使用的材料可以不同于先前用到的成型方法中所用工具使用的材料。成型结束后，成型好的产品可以空冷或经过水中淬火冷却。

还有可能通过在成型过程中在管端上施加轴向压力的方式将材料供给到工具中。这会有益于在成型后获得较小的管壁厚度变化量或避免要求非常高的管形时发生管的断裂，这些形状要求大的局部形变，例如在小半径或角落附近。

为了避免管粘结在工具表面上，可能需要施加脱模剂或高温润滑剂。施加可以从管上或也可从工具表面上开始，任一均可，并且可在每个新管要成型之前施加，或是以涂层的形式施加，除非在罕见情况下，否则所述涂层无需补充添加。

有几种方式生产插入管、连接部和紧固件所需的槽。一种方式是通过单个地冲压出槽或一次冲压出几个或所有槽的方式处置热气压成型好的产品。孔和槽也可通过铣或钻或使用任何其它合适的技术在热气压成型好的产品上成型出来。备选地，孔可在热气压成型工艺的稍后阶段中被冲压出来，此时已经得到了管的最终形状并且热气体压力可从管内提供支撑以防止冲压动作引起塌陷。紧固件可通过任何适合的手段，比如铆接、钎焊、焊接或胶粘，被附接到炽热气压成型好的产品上。紧固方法的选择取决于客户的需要、允许的成本、性能以及紧固应发生在钎焊之前还是之后。集流箱可被成型为带有刻痕，以便于集流箱中槽的成型，图2中就显示了一个实例。

为了在热气压成型过程中提供气体进入管中，管端部塞子中的至少一个具有附接到加压气体系统的开口。在箱被用于热交换器用途之前，开口必须封闭。这可通过几种方式做到。首先，开放的管端可通过附接用于热交换介质的进出连接部的方式而被塞住，无论该介质是液态的还是气态的。其次，它可通过能被钎焊、焊接或胶粘到该位置上或通过任何其它合适的手段附接的密封物封闭。备选地，端部可被挤压关闭，而余下的间隙和缝隙可用合适的金属或聚合物填充剂填充起来以确保封闭无渗漏。这种密封剂的施加可使用任何适合的方法做到。

为了便于管道或软管的连接，可以设想在管端上成型螺纹，管道可通过螺纹拧在管上。备选地，可通过夹具形成用于附接软管的锚栓。

优选实施方式

为了更好地理解发明，现在给出如何实施本发明的一个实例。

包有AA4343的合金AA3003制成的3mm厚铝片材被焊接形成直径40mm的管。根据Y的图形将管预先弯折出形状，并被放在具有相似形状被预热到500℃的工具中。工具已经用能经受住成型温度不分解的固体润滑剂进行润滑。管端被塞住，液压缸施加作用力以防两个工具部件分开。气体通过其中一个塞子被施加到管内部并且压力从0增加到200巴。在最大压力下几秒之后压力被释放掉，成型好的管从工具上取下并通过向它上面喷水的方式进行冷却。在需要连接部的地方冲压出凹槽。

现在，管具有集流箱的最终形态，其具有预成型的凹槽和凸起。热交换器翅片和流管现在可以与箱组装起来并钎焊形成热交换器。

Claims

1.一种生产热交换器集流箱的方法，包括如下步骤：

a)提供管，所述管具有由AA3XXX铝合金制成的芯；

b)可选择地预热所述管；

c)将所述管插入成型工具中，所述成型工具具有最终集流箱形状的成型腔室；

d)塞住所述管的端部；

e)如果所述管还没得到充分预热的话，将所述管加热至成型温度，并用气体对所述管进行内部加压使之与所述工具腔室的形状一致，进而获得最终的集流箱；

f)从所述工具上取下所述集流箱；

g)冷却所述集流箱。

2.根据权利要求1的生产热交换器集流箱的方法，其中，所述管所使用的材料未经匀质化。

3.根据权利要求1或2的生产热交换器集流箱的方法，其中，所述管未经退火。

4.根据权利要求2的生产热交换器集流箱的方法，其中，所述管芯具有至少一层用铝合金制成的包层。

5.根据在前任一项权利要求的生产热交换器集流箱的方法，其中，成型过程中或继成型之后，在成型的集流箱中制作出为管或连接部设置的槽。

6.根据在前任一项权利要求的生产热交换器集流箱的方法，其中，所使用的气体压力高于85巴。

7.根据在前任一项权利要求的生产热交换器集流箱的方法，其中，在对所述管进行成型的过程中对管端部施加轴向压力。

8.根据在前任一项权利要求的生产热交换器集流箱的方法，其中，在对所述管进行成型的过程中在管端部上形成螺纹或锚栓。

9.根据在前任一项权利要求的生产热交换器集流箱的方法，其中，在步骤a)中提供的是由焊接起来的坯料制成的管。

10.一种热交换器集流箱，其由权利要求1-9的方法形成。

11.一种热交换器，其包括权利要求10的热交换器集流箱。

12.根据权利要求11所述的热交换器，其中所述热交换器是非矩形的。

13.一种生产热交换器的方法，包括如下步骤：

通过权利要求1-12的方法生产集流箱；

在所述集流箱中为流管设置开口；

在开口处将多根流管连接到集流箱；

在所述流管之间插入翅片；

将所述翅片钎焊到所述流管上。