CN111644737A - 一种低阻强化换热冷板的电子束表面造型工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低阻强化换热冷板的电子束表面造型工艺，通过在散热器的换热冷板内部加工形成具有一定高度的三维结构的单元，在小范围内影响流体阻力的前提下，最大程度扰乱流体运动状态，从而提高换热器的换热效率，使用特殊工装有效对工件进行导热，保证造型单元的稳定性，造型工艺工序简洁易把控，工艺参数设置合理，且根据不同槽道形状和造型需要，可采用不同的造型方案，有效提高造型效率，从实际层面解决了换热冷板电子束造型的工艺难题。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料表面处理领域，具体涉及一种低阻强化换热冷板的电子束表面造型工艺。
背景技术
通常情况下，雷达TR组件采用冷板进行散热，通过机械加工方式在冷板上制备用于换热液体流动的槽道，流体在槽道中流动进行热量交换。目前冷板底部为光滑平面，散热效率较低。
电子束表面造型技术具有形貌可控、无污染、加工效率高等优点，非常适合工件光滑表面的造型处理，现有技术中已有一些使用电子束表面造型技术对光滑的板表面进行造型的研究，例如，发明专利CN105328325A“实现工件减阻的电子束表面加工方法和具有减阻表面的板”中，采用了电子束表面加工的能力进行攻坚表面处理，在工件表面形成多个相互平行的条形凸棱，但其核心在于加工处理高度较低的多个相互平行的条形凸棱，实现减阻目的，整个造型工艺复杂，造型过程中需要考虑的参数变量多，加工效率低，且所形成三角形沟槽微细结构形态单一，减阻效果有限；发明专利CN110391197A“一种船雷达散热器用低热阻强化换热冷板结构”，涉及一种舰船雷达散热器用低热阻强化换热冷板结构，提出了在单方向线性流道内加工星形造型阵列，提高换热器效率，其所针对的流道为线性流道，造型形状单一，且该发明专利只是提出了这种概念，没有涉及具体的电子束表面加工方法，实际造型过程中，还存在很多需要克服的难题，如，换热冷板为了提高换热效率，材质大都为导热性较强的材料，在电子束造型过程中极易发生热量集中，导致造型单元坍塌，造型难度增加，另外，实际使用的冷板槽道形状往往较为复杂，大多为曲线造型，非单一方向，不同流道区域所需的造型形状可能不同，当面对复杂的冷板槽道形状和非单一性的三维造型单元时，如何控制造型过程和工艺参数，提高加工效率并保证造型效果，都是需要技术人员进行解决的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种低阻强化换热板的电子束表面造型工艺，通过对换热冷板表面进行造型，形成具有一定高度的三维结构单元，有效提高换热器的换热效率，造型过程中使用专用工装对工件进行固定和导热，有效减少热量集中避免造型坍塌，保证造型单元的稳定性，通过对造型过程的优化，能够实现复杂槽道及多区域不同造型形状的处理，加工效率高，造型效果好，有效提高换热器的换热效率。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种低阻强化换热冷板的电子束表面造型工艺，所述换热冷板由基板和盖板组成，所述基板上加工有槽道，所述盖板的形状与槽道对应，所述造型工艺包括如下步骤：
（1）利用酒精或丙酮清理待造型的基板和盖板表面，去除油污，干燥待用；
（2）将待造型基板或盖板安装到真空电子束焊机内部，使用冷却固定工装对基板或盖板进行固定，所述冷却固定工装为平板状，面积大于基板面积，内部加工流道并通过真空室外循环水对固定在其上的电子束造型板进行冷却，其中，对基板进行电子束表面造型时，利用冷却固定工装对基板进行固定，基板加工有槽道的一面朝上，通过压板将基板压紧在冷却固定工装上，所述基板与冷却固定工装装配后间隙≤0.2mm，固定好之后，调整基板到电子枪距离为300~1500mm范围内；对盖板进行电子束表面造型时，先将盖板放置在冷却固定工装上，盖板内表面朝上，再在盖板上加装盖板固定工装，所述盖板固定工装为面积略大于盖板的矩形板状结构，所述盖板固定工装的底面设有与盖板形状和厚度相匹配的凹槽，能够将盖板容纳在所述凹槽中，同时，所述盖板固定工装上还设置有与盖板形状相对应且宽度略小于盖板的通槽，以便将盖板上需要进行电子束造型的表面露出，通过所述盖板固定工装将盖板压紧固定在冷却固定工装上；
（3）然后关闭真空室炉门，抽取真空，待真空度抽取到1×10-2Pa后，调整工件位置至电子枪下方；
（4）打开电子枪，开启电子束束流，按照既定工艺进行槽道或盖板的表面造型，所述表面造型为三维立体结构单元组成的阵列，所述造型形状包括星形、波浪形、旋涡形，电子束按照表面造型数据点进行快速移动，持续设定时间后实现在工件表面造型，电子束束流0.5~10mA，扫描频率F：1~10000HZ，图形幅值范围：0.1~100mm，处理时间1~1200s，电子束造型单元高度在0.1~5mm可控调整；
（5）造型完成后，待冷却至低于100℃后打开放气阀，然后打开真空室炉门取出基板或盖板；
（6）对造型完成后的基板与盖板进行焊接，最终形成所需的换热冷板。
进一步地，步骤（4）造型过程中根据基板槽道及盖板面积大小和电子束设备能力进行不同方式处理，当电子束高速扫描面积区域可覆盖整个槽道或盖板区域时，可利用电子束整体处理；当电子束高速扫描区域小于槽道或盖板区域面积时，可采用分段处理方式。
进一步地，步骤（4）造型过程中，所述槽道在不同分区进行不同造型形状的造型设计，利用数控运动平台，分别移动不同区域至电子束造型区域范围内按照设计进行造型。
进一步地，步骤（4）造型过程中可按照两种方式进行造型：a. 固定位置电子束高速扫描造型；b. 平台同步移动，电子束同步扫描；其中，在方式b中，需要将平台运动路径和电子束扫描路径相互抵消。
进一步地，焊接前对基板和盖板进行氧化处理，能够有效提高电子束造型单元的耐冲刷腐蚀性。
有益效果：（1）本发明在散热器的换热冷板内部加工形成具有一定高度的三维结构的单元，所述三维结构包括星形、波浪形、旋涡形等多种形状，造型多样化，适用于各种复杂流道的换热板，在小范围内影响流体阻力的前提下，最大程度扰乱流体运动状态，从而提高换热器的换热效率；（2）为了保证造型的稳定性，本发明的造型工艺设计了专用工装，在辅助固定工件的同时，能够有效导热，将电子束焊接过程产生的热量及时导出，防止工件热量集中引起造型坍塌，有效保证造型的稳定性；（3）本发明的造型工艺，工序简洁易把控，工艺参数设置合理，且根据不同槽道形状和造型需要，可采用不同的造型方案，有效提高造型效率，从实际层面解决了换热冷板电子束造型的工艺难题；（4）通过对该方法使用前后的换热冷板散热效率对比发现，能够有效提高散热效率达到40%左右，此外通过对造型单元进行进一步氧化处理，能够有效提高造型单元的耐冲刷腐蚀性，提高冷板使用寿命。
附图说明
图1为一种换热冷板结构示意图；
图2为基板中槽道电子束表面造型处理示意图；
图3为冷却固定工装结构示意图；
图4为盖板固定工装结构示意图；
图5为图4的剖视图；
图6为冷板不同区域造型设计示意图；
图7为图6中不同造型单元的局部示意图；
图8为电子束表面波浪形造型单元实例图；
图9为电子束表面星形造型单元实例图；
图10为电子束表面旋涡形造型单元实例图；
附图标记：1、基板，1-1、槽道，2、盖板，3、冷却固定工装，3-1、流道，3-2、管道接口，4、电子枪，5、盖板固定工装，6、压板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
本发明提供一种低阻强化换热冷板的电子束表面造型工艺，如图1所示，所述换热冷板由基板1和盖板2组成，所述基板1上加工有槽道1-1，图1所示槽道1-1的形状为蛇形，实际中可能为其他直线或曲线形状，所述盖板2的形状与槽道1-1对应，通过电子束造型工艺对槽道1-1底面及盖板2内表面加工三维造型单元，以提高冷板的换热效率，所述造型工艺具体包括如下步骤：
（1）利用酒精或丙酮等溶剂清理待造型的基板和盖板表面，去除油污，干燥待用；
（2）将待造型基板或盖板安装到真空电子束焊机内部，使用冷却固定工装3对基板1或盖板2进行固定，如图2-3所示，所述冷却固定工装3为平板状，面积大于基板1面积，内部加工流道3-1并通过管道接口3-2连接真空室外循环水对固定在其上的电子束造型板（基板或盖板）进行冷却，其中，对基板1进行电子束表面造型时，利用冷却固定工装3对基板1进行固定，基板1加工有槽道的一面朝上，通过压板6将基板1压紧在冷却固定工装3上，所述基板1与冷却固定工装3装配后间隙≤0.2mm，固定好之后，调整基板1到电子枪4距离为300~1500mm范围内；对盖板2进行电子束表面造型时，先将盖板2放置在冷却固定工装3上，如图4-5所示，盖板2内表面朝上（即需要进行电子束造型的表面朝上），再在盖板2上加装盖板固定工装5，所述盖板固定工装5为面积略大于盖板2的矩形板状结构，所述盖板固定工装5的底面设有与盖板2形状和厚度相匹配的凹槽，能够将盖板2容纳在所述凹槽中，同时，所述盖板固定工装5上还设置有与盖板2形状相对应且宽度略小于盖板2的通槽，以便将盖板2上需要进行电子束造型的表面露出，然后通过压板6和所述盖板固定工装5将盖板2压紧固定在冷却固定工装上；所述冷板固定工装3的非流道区域设有多组通孔，用于固定不同尺寸的冷板。
所述盖板固定工装5的结构与基板1类似，相当于将基板1槽道1-1底部挖空所形成，目的是将盖板2待加工表面暴露，盖板固定工装5与盖板2装配后的结构与基板1和盖板2的结构相似。
（3）然后关闭真空室炉门，抽取真空，待真空度抽取到1×10-2Pa后，调整工件位置至电子枪下方，根据设计图纸对基板1和盖板2进行电子束表面造型；
（4）打开电子枪，开启电子束束流，按照既定工艺进行槽道或盖板的表面造型，所述表面造型为三维立体结构单元组成的阵列，所述造型形状包括星形、波浪形、旋涡形等；
造型过程中，根据基板槽道面积大小和电子束设备能力进行不同方式处理，当电子束高速扫描面积区域可覆盖整个槽道区域时，可利用电子束整体处理；当电子束高速扫描区域小于槽道区域面积时，可采用分段处理方式；另外，槽道不同分区可进行不同造型形状的设计及处理，槽道可分为多个分区，每个分区的造型形状可以选自星形、波浪形、旋涡形等的一种，如图6，槽道的A段造型为波浪形，B段造型为星形，利用数控运动平台，可分别移动槽道不同区域至电子束造型区域范围内按照设计进行造型；造型过程中可按照两种方式进行造型，a. 固定位置电子束高速扫描造型；b. 平台同步移动，电子束同步扫描；在方式b中，需要将平台运动路径和电子束扫描路径相互抵消。
（5）电子束按照表面造型数据点进行快速移动，持续设定时间后实现在工件表面造型，电子束束流0.5~10mA，扫描频率F：1~10000HZ，图形幅值范围：0.1~100mm，处理时间1~1200s，电子束造型单元高度在0.1~5mm可控调整；
（6）造型完成后，待冷却至低于100℃后打开放气阀，然后打开真空室炉门取出基板或盖板；
（7）对造型完成后的基板与盖板进行氧化处理，提高造型单元的耐冲刷腐蚀性，然后对基板和盖板进行焊接，最终形成所需的换热冷板。
实施例
针对本发明所述电子束表面造型工艺的一种铝合金表面的造型方法，具体步骤如下：
对冷板中基板1和盖板2按照设计图纸进行加工，材质为铝合金，加工完成后基板1上形成槽道1-1，利用酒精、丙酮等溶剂清理待造型的基板1表面，去除油污，干燥待用；
将基板1安装到真空电子束焊机内部，利用冷却固定工装3将基板1进行固定，调整基板1到电子枪3距离为800mm左右，然后关闭真空室炉门，抽取真空，待真空度抽取到3×10-3Pa后，调整工件位置至电子枪下方；
根据设计图纸对槽道1-1进行电子束表面造型，造型前进行图形设计和电子束造型程序生成；
当电子束高速扫描区域小于槽道区域面积时，可采用分段处理方式；槽道不同分区可进行不同造型形状的设计及处理，如图6-7，A段为波浪型，B段为星形等；利用数控运动平台，可分别移动不同区域至电子束造型区域范围内按照设计进行造型。
打开电子枪，开启电子束束流，按照既定工艺进行槽道的表面造型，电子束可按照表面造型数据点进行快速移动，持续设定时间后实现在工件表面造型，电子束束流5mA，扫描频率F：50HZ，图形幅值范围：10×50mm，处理时间120s，所形成的电子束造型单元高度为1.5mm。
造型完成后，待冷却至低于100℃后打开放气阀，然后打开真空室炉门取出基板，对基板进行氧化处理，提高造型单元的耐冲刷腐蚀性。
按照同样的方法对盖板进行造型，对完成后的基板与盖板进行焊接，最终形成所需的冷板。
图8-10为通过本发明的造型工艺所得的不同造型单元的实例图，其中图8为波浪形造型，图9为星形造型，图10为旋涡形造型。
本发明在电子束造型过程中，通过特殊工装的使用，有效进行导热，防止热量集中造成局部坍塌，且本发明的造型工艺工序简洁，参数可控，所得到的造型结果稳定可靠，通过对该方法使用前后的换热冷板的散热效率对比发现，能够有效提高散热效率达到40%左右。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (5)
1.一种低阻强化换热冷板的电子束表面造型工艺，所述换热冷板由基板和盖板组成，所述基板上加工有槽道，所述盖板的形状与槽道对应，其特征在于，所述造型工艺包括如下步骤：
（1）利用酒精或丙酮清理待造型的基板和盖板表面，去除油污，干燥待用；
（2）将待造型基板或盖板安装到真空电子束焊机内部，使用冷却固定工装对基板或盖板进行固定，所述冷却固定工装为平板状，面积大于基板面积，内部加工流道并通过真空室外循环水对固定在其上的电子束造型板进行冷却，其中，对基板进行电子束表面造型时，利用冷却固定工装对基板进行固定，基板加工有槽道的一面朝上，通过压板将基板压紧在冷却固定工装上，所述基板与冷却固定工装装配后间隙≤0.2mm，固定好之后，调整基板到电子枪距离为300~1500mm范围内；对盖板进行电子束表面造型时，先将盖板放置在冷却固定工装上，盖板内表面朝上，再在盖板上加装盖板固定工装，所述盖板固定工装为面积略大于盖板的矩形板状结构，所述盖板固定工装的底面设有与盖板形状和厚度相匹配的凹槽，能够将盖板容纳在所述凹槽中，同时，所述盖板固定工装上还设置有与盖板形状相对应且宽度略小于盖板的通槽，以便将盖板上需要进行电子束造型的表面露出，通过所述盖板固定工装将盖板压紧固定在冷却固定工装上；
（3）然后关闭真空室炉门，抽取真空，待真空度抽取到1×10-2Pa后，调整工件位置至电子枪下方；
（4）打开电子枪，开启电子束束流，按照既定工艺进行槽道或盖板的表面造型，所述表面造型为三维立体结构单元组成的阵列，所述造型形状包括星形、波浪形、旋涡形，电子束按照表面造型数据点进行快速移动，持续设定时间后实现在工件表面造型，电子束束流0.5~10mA，扫描频率F：1~10000HZ，图形幅值范围：0.1~100mm，处理时间1~1200s，电子束造型单元高度在0.1~5mm可控调整；
（5）造型完成后，待冷却至低于100℃后打开放气阀，然后打开真空室炉门取出基板或盖板；
（6）对造型完成后的基板与盖板进行焊接，最终形成所需的换热冷板。
2.如权利要求1所述的一种低阻强化换热冷板的电子束表面造型工艺，其特征在于，步骤（4）造型过程中根据基板槽道及盖板面积大小和电子束设备能力进行不同方式处理，当电子束高速扫描面积区域可覆盖整个槽道或盖板区域时，可利用电子束整体处理；当电子束高速扫描区域小于槽道或盖板区域面积时，可采用分段处理方式。
3.如权利要求1所述的一种低阻强化换热冷板的电子束表面造型工艺，其特征在于，步骤（4）造型过程中，所述槽道在不同分区进行不同造型形状的造型设计，利用数控运动平台，分别移动不同区域至电子束造型区域范围内按照设计进行造型。
4.如权利要求1所述的一种低阻强化换热冷板的电子束表面造型工艺，其特征在于，步骤（4）造型过程中可按照两种方式进行造型：a. 固定位置电子束高速扫描造型；b. 平台同步移动，电子束同步扫描；其中，在方式b中，需要将平台运动路径和电子束扫描路径相互抵消。
5.如权利要求1所述的一种低阻强化换热冷板的电子束表面造型工艺，其特征在于，焊接前对基板和盖板进行氧化处理，能够有效提高电子束造型单元的耐冲刷腐蚀性。
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