CN112846475B - 液冷冷板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液冷冷板的制备方法，包括以下步骤：S1，获取待加工冷板本体流道截面的尺寸；S2，预设电子束表面造型阵列；S4，根据合理的电子束表面造型阵列设定电子束表面造型扫描波形；S5，对电子束表面造型扫描波形及工艺参数进行优化；S6，根据优化后的电子束表面造型扫描波形及工艺参数，在待加工冷板本体流道内制备出柱状表面造型，然后将制备完成的冷板本体和盖板制备成液冷冷板。本发明应用于液冷冷板技术领域。

Description

液冷冷板的制备方法
技术领域
本发明涉及液冷冷板技术领域，特别是涉及一种液冷冷板的制备方法。
背景技术
目前，液冷冷板的主要作用是为雷达T/R组件提供更强的散热效果，使雷达能够持续稳定工作。随着雷达技术的逐步提升，雷达组件的功率也在不断提升，相应的，T/R组件的发热量也在迅速增长，对于雷达散热构件的要求逐步提升。
液冷冷板主要由冷板本体和盖板组成，其中冷板本体中存在流道，冷却液在冷板本体和盖板形成的封闭流道中流动。液冷冷板紧贴于发热组件，通过其中流动的冷却液不断带走热源的热量，实现散热效果。对于液冷冷板，其散热能力主要取决于冷板尺寸、流道尺寸以及流道内换热面积。当冷板尺寸、流道尺寸等均受到限制时，为了进一步提高散热效果，可在流道内增加换热面积，如制备微通道液冷冷板。
与传统液冷冷板相比，微通道液冷冷板可有效提高流道内的比表面积，从而提高换热效果。但与此同时，微通道液冷冷板在工程运用中面临最大的问题之一，就是流道内流体流阻太大，使冷板散热性能的提升受到了限制；另外，微通道尺寸较小，其槽道宽度往往只有几百微米，存在加工难度大，加工效率低等问题。
因此，发明人提供了一种液冷冷板的制备方法。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明实施例提供了一种液冷冷板的制备方法，通过利用电子束表面造型技术，解决了加工难度大、散热效率低的技术问题。
(2)技术方案
第一方面，本发明的实施例提出了一种液冷冷板的制备方法，包括以下步骤：
S1，获取待加工冷板本体流道截面的尺寸，其中，所述截面的深度尺寸为H，所述截面的宽度尺寸为W；
S2，预设电子束表面造型阵列，沿流道长度方向预设m行造型单元，沿流道宽度方向预设n列造型单元，所述造型单元沿流道宽度方向的尺寸为a，所述造型单元的沿流道长度方向的尺寸为b，任意相邻两造型单元沿流道宽度方向的间距为c，任意相邻两造型单元沿流道长度方向的间距为d；
S3，验证电子束表面造型阵列是否合理；
若
Figure BDA0002882298000000021
则表示电子束表面造型阵列合理，若否，则重复步骤S2，并调整电子束表面造型阵列；
S4，所述造型单元图形为多段线段组成的图形或一条从中心向外延伸的螺旋线图形，根据合理的电子束表面造型阵列设定电子束表面造型扫描波形，以流道一角部一造型单元为原点(0,0)，则位于i列、j行的造型单元的放射中心起点Oi,j为：
Figure BDA0002882298000000022
根据计算得到的造型单元起点，将造型单元图形对应的坐标以单元起点为基准进行位置变换，便可得到电子束表面造型扫描波形；
S5，对电子束表面造型扫描波形及工艺参数进行优化；
S6，根据优化后的电子束表面造型扫描波形及工艺参数，在待加工冷板本体流道内制备出柱状表面造型，然后将制备完成的冷板本体和盖板制备成液冷冷板。
进一步改进的，步骤S4中，所述造型单元图形为一条从中心向外延伸的阿基米德螺旋线图形时，位于原点(0，0)处的造型单元的电子束表面造型扫描波形为：
Figure BDA0002882298000000023
其中，θ为变量，决定阿基米德螺旋线的长度；P和Q为常量，决定阿基米德螺旋线的尺寸比例；
则Oi,j处的造型单元的电子束表面造型扫描波形为：
Figure BDA0002882298000000031
进一步改进的，步骤S5中，对电子束表面造型扫描波形及工艺参数的工作距离、加速电压、聚焦电流、扫描频率、扫描时间、扫描束流、扫描波形颗粒度、扫描路径中的一项或多项进行优化；
其中，所述工作距离为待加工冷板本体和电子枪下端的距离；所述扫描波形颗粒度为单位扫描轨迹上点的数量。
进一步改进的，所述工作距离为150mm～350mm。
进一步改进的，当扫描波形总点数5000～100000个时，所述扫描频率为1000Hz～1500Hz；当扫描波形总点数＞100000个时，所述扫描频率为大于1500Hz。
进一步改进的，所述扫描波形颗粒度为100点/mm～150点/mm。
进一步改进的，所述造型单元图形为多段线段组成的图形时，所述扫描路径为：将同一方向的线段归为一组，将一组线段扫描后，再将该组线段相反方向扫描路径的扫描，以此，将所有线段依次扫描。
进一步改进的，根据柱状表面造型产生的热量选择扫描时间。
进一步改进的，步骤S6中，根据优化后的电子束表面造型扫描波形及工艺参数，在待加工冷板本体流道内制备出柱状表面造型前，在待加工冷板本体底部设置散热结构。
进一步改进的，步骤S6中，所述散热结构的厚度大于或等于待加工冷板本体的厚度；所述散热结构的宽度大于待加工冷板本体的宽度；所述散热结构的长度大于待加工冷板本体的长度。
(3)有益效果
综上，本发明的液冷冷板的制备方法，通过待加工冷板本体流道截面的尺寸，设计造型单元阵列及尺寸参数，之后形成电子束表面造型的扫描波形，并对电子束表面造型扫描波形及工艺参数进行优化，使用电子束表面造型扫描波形及工艺参数在液冷冷板通道内制备柱状表面造型。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例中冷板本体上电子束表面造型阵列及其流道的示意图。
图2是本发明一实施例中电子束表面造型阵列示意图。
图3是本发明一实施例中造型单元的坐标示意图。
图4是本发明一实施例中，造型单元图形为多段线段组成的图形时，所述扫描路径优化的示意图。
图5是本发明一实施例中冷板本体和散热结构的连接关系图。
图6是本发明一实施例中冷板本体的尺寸图。
图7是本发明一实施例中斜线式扫描路径的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
请参照图1至图7，一种液冷冷板的制备方法，包括以下步骤：
S1，获取待加工冷板本体流道截面的尺寸，其中，所述截面的深度尺寸为H，所述截面的宽度尺寸为W；待加工冷板本体流道截面示意图见图1，其宽度为W，深度为H。
S2，预设电子束表面造型阵列，沿流道长度方向预设m行造型单元，沿流道宽度方向预设n列造型单元，所述造型单元沿流道宽度方向的尺寸为a，所述造型单元的沿流道长度方向的尺寸为b，任意相邻两造型单元沿流道宽度方向的间距为c，任意相邻两造型单元沿流道长度方向的间距为d；将电子束表面造型阵列以图2的形式交错排列。
S3，验证电子束表面造型阵列是否合理；
若
Figure BDA0002882298000000041
则表示电子束表面造型阵列合理，若否，则重复步骤S2，并调整电子束表面造型阵列；
S4，所述造型单元图形为多段线段组成的图形或一条从中心向外延伸的螺旋线图形，根据合理的电子束表面造型阵列设定电子束表面造型扫描波形，如图3所示，以流道一角部一造型单元为原点(0,0)，则位于i列、j行的造型单元的放射中心起点Oi,j为：
Figure BDA0002882298000000051
各造型单元图形相同，只是相对位置有所区别，根据计算得到的造型单元起点，将造型单元图形对应的坐标以单元起点为基准进行位置变换，便可得到电子束表面造型扫描波形；
S5，对电子束表面造型扫描波形及工艺参数进行优化；
S6，根据优化后的电子束表面造型扫描波形及工艺参数，在待加工冷板本体流道内制备出柱状表面造型，然后将制备完成的冷板本体和盖板制备成液冷冷板。
电子束表面造型技术是利用偏转线圈控制电子束流的高速扫描运动，来实现金属表面局部微区域的金属“挖掘”和“转移”，从而获得多种形貌的表面凸起等微造型，如锯齿形，倒刺形、蜂窝状、旋涡和网纹等；这些微造型可用于各种领域结构辅助连接、流场控制、界面增强等。电子束表面造型技术在制备密集排列的微造型方面具有速度快、精度高、阵列自由控制及适于局部微加工等优点，通过在液冷冷板流道内及盖板上制备表面造型，可大幅改善流道内换热效率，具有极大的应用前景。该技术不仅可缩短加工周期，而且能够制备不规则形状凸起。相对于传统的表面加工技术，其优势比较明显，可加工任何金属材料、可定制形貌、加工效率高等。
本实施例的液冷冷板的制备方法，通过待加工冷板本体流道截面的尺寸，设计造型单元阵列及尺寸参数，之后形成电子束表面造型的扫描波形，并对扫描波形进行优化，使用优化的工艺参数在液冷冷板通道内制备柱状表面造型。
进一步地，在一实施例中，步骤S4中，所述造型单元图形为一条从中心向外延伸的阿基米德螺旋线图形时，位于原点(0，0)处的造型单元的电子束表面造型扫描波形为：
Figure BDA0002882298000000052
其中，θ为变量，决定阿基米德螺旋线的长度；P和Q为常量，决定阿基米德螺旋线的尺寸比例；
则Oi,j处的造型单元的电子束表面造型扫描波形为：
Figure BDA0002882298000000061
其他形状的造型单元可以通过同样的方法获得任意位置造型单元的轨迹，从而实现全部造型阵列点坐标的求解。最后将所有求解出的点坐标按一定顺序排列，即形成所需的表面造型的扫描波形。
对于电子束表面造型，由于其成形过程经历液相金属的快速熔化、移动、冷却过程，因此其成形的质量主要受造型制备过程中热循环特征影响，进一步地，在一实施例中，步骤S5中，对电子束表面造型扫描波形及工艺参数的工作距离、加速电压、聚焦电流、扫描频率、扫描时间、扫描束流、扫描波形颗粒度、扫描路径中的一项或多项进行优化；
其中，所述工作距离为待加工冷板本体和电子枪下端的距离；所述扫描波形颗粒度为单位扫描轨迹上点的数量。能够使电子束表面造型扫描波形更加合理。
工作距离越小，电子束在到达工件表面的过程中能量损失越小，但考虑到实际加工过程中的装配、装夹，进一步地，在一实施例中，所述工作距离为150mm～350mm。
根据设备的情况，加速电压应尽可能选择更高的数值，这样得到的电子束流能量密度更高，束斑直径更小，电子束扫描时周边金属的热影响也最小。
聚焦电流：应选择工件表面焦点处的数值，此时电子束能量更为集中。
进一步地，在一实施例中，当扫描波形总点数5000～100000个时，所述扫描频率为1000Hz～1500Hz；当扫描波形总点数＞100000个时，所述扫描频率为大于1500Hz。具体需根据实际工艺试验得到的成形质量来进行选择和优化。
扫描束流：增加扫描束流会使金属熔化量增加，一定范围内可增加表面造型高度，但需要与扫描时间进行匹配优化，以达到最佳的造型高度与成形质量。
扫描波形颗粒度：扫描波形颗粒度指单位扫描轨迹上点的数量，颗粒度较大时，电子束扫描连续性差，导致液相金属移动不流畅，成形质量较差；但颗粒度并不是越小越好，过小的颗粒度会大幅增加扫描波形的总点数，导致热量积累增加，易产生造型过热熔化现象。进一步地，在一实施例中，所述扫描波形颗粒度为100点/mm～150点/mm。
扫描路径：扫描路径包括扫描形状、方向和顺序，即电子束以何种形状、向哪个方向、以什么顺序完成全部电子束表面造型阵列图形的扫描。由于电子束表面造型阵列的成形质量主要受制备过程中的热循环参数影响，因此合理的设置扫描路径，可以有效地实现热量的离散分布，使表面造型制备过程中热量均匀，成形一致。进一步地，在一实施例中，所述造型单元图形为多段线段组成的图形时，所述扫描路径为：将同一方向的线段归为一组，将一组线段扫描后，再将该组线段相反方向扫描路径的扫描，以此，将所有线段依次扫描。如图4所示为十字线阵列的扫描路径。
进一步地，在一实施例中，根据柱状表面造型产生的热量选择扫描时间。在一定扫描束流下，增加扫描时间可以使表面造型高度进一步增加，但当时间过长之后，表面造型热量积累过大，已经成形的造型会出现再次熔化，因此扫描时间一般不宜过长。
为了避免表面造型制备过程中，因待加工冷板本体整体温度提升而对表面造型成形质量带来的影响，进一步地，在一实施例中，步骤S6中，根据优化后的电子束表面造型扫描波形及工艺参数，在待加工冷板本体流道内制备出柱状表面造型前，在待加工冷板本体底部设置散热结构。具体的，一般采用铜或铜合金的接触式散热结构
进一步地，在一实施例中，步骤S6中，所述散热结构的厚度大于或等于待加工冷板本体的厚度；所述散热结构的宽度大于待加工冷板本体的宽度；所述散热结构的长度大于待加工冷板本体的长度。优选的，当需要更强的冷却散热效果时可在其中加入水冷系统。如图5所示，图5中的L工件为待加工冷板本体的长度，D工件为待加工冷板本体的厚度；L散热为散热结构的长度，D散热为散热结构的厚度。
基于上述实施例的结构，在一具体的实施例中，采用6063铝合金制成的待加工冷板本体，具体尺寸见图6，实现带有电子束表面造型的液冷冷板的制备方法为：
测量待加工冷板本体流道截面尺寸，分别为宽W＝12mm，深度H＝9mm；
预设电子束表面造型阵列：a＝3mm，b＝3mm，c＝1mm，d＝1mm，m＝5，n＝3；
验证电子束表面造型阵列是否合理：
Figure BDA0002882298000000081
因此，该电子束表面造型阵列能够在待加工冷板本体中布置。
采用以阿基米德螺旋线为造型单元图形的表面造型阵列，阿基米德螺旋线轨迹方程为：
Figure BDA0002882298000000082
其中θ＝10,20,30,40……720。
将电子束表面造型阵列左下角的造型单元设为原点(0,0)，得到该阵列中i列、j行的造型单元起点坐标为(2(i-1),4(i-1))，该位置处阿基米德螺旋线轨迹方程为：
Figure BDA0002882298000000083
其中，θ＝10,20,30,40……720。
根据轨迹方程及电子束表面造型阵列布局，计算造型单元阵列中所有点坐标，形成扫描波形。
开展工艺参数优化及扫描波形优化，优化后的具体参数如下：工作距离300mm，加速电压150kV，聚焦电流2314mA，扫描频率1500Hz，扫描时间5s，扫描束流6.5mA，扫描波形颗粒度135点/mm，扫描路径为斜线式(如图7)。
在液冷冷板流道中制备表面造型前，将液冷冷板与120×120×15mm的铜板装配在一起，之后共同放入真空室，利用优化后的工艺参数和扫描波形，完成冷板本体流道内表面造型的制备，最后将制备完成的冷板本体和盖板制备成液冷冷板。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种液冷冷板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，获取待加工冷板本体流道截面的尺寸，其中，所述截面的深度尺寸为H，所述截面的宽度尺寸为W；
S2，预设电子束表面造型阵列，沿流道长度方向预设m行造型单元，沿流道宽度方向预设n列造型单元，所述造型单元沿流道宽度方向的尺寸为a，所述造型单元的沿流道长度方向的尺寸为b，任意相邻两造型单元沿流道宽度方向的间距为c，任意相邻两造型单元沿流道长度方向的间距为d；
S3，验证电子束表面造型阵列是否合理；
若
Figure FDA0002882297990000011
则表示电子束表面造型阵列合理，若否，则重复步骤S2，并调整电子束表面造型阵列；
S4，所述造型单元图形为多段线段组成的图形或一条从中心向外延伸的螺旋线图形，根据合理的电子束表面造型阵列设定电子束表面造型扫描波形，以流道一角部一造型单元为原点(0,0)，则位于i列、j行的造型单元的放射中心起点Oi,j为：
Figure FDA0002882297990000012
根据计算得到的造型单元起点，将造型单元图形对应的坐标以单元起点为基准进行位置变换，便可得到电子束表面造型扫描波形；
S5，对电子束表面造型扫描波形及工艺参数进行优化；
S6，根据优化后的电子束表面造型扫描波形及工艺参数，在待加工冷板本体流道内制备出柱状表面造型，然后将制备完成的冷板本体和盖板制备成液冷冷板。
2.根据权利要求1所述的液冷冷板的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述造型单元图形为一条从中心向外延伸的阿基米德螺旋线图形时，位于原点(0，0)处的造型单元的电子束表面造型扫描波形为：
Figure FDA0002882297990000021
其中，θ为变量，决定阿基米德螺旋线的长度；P和Q为常量，决定阿基米德螺旋线的尺寸比例；
则Oi,j处的造型单元的电子束表面造型扫描波形为：
Figure FDA0002882297990000022
3.根据权利要求1所述的液冷冷板的制备方法，其特征在于，步骤S5中，对电子束表面造型扫描波形及工艺参数的工作距离、加速电压、聚焦电流、扫描频率、扫描时间、扫描束流、扫描波形颗粒度、扫描路径中的一项或多项进行优化；
其中，所述工作距离为待加工冷板本体和电子枪下端的距离；所述扫描波形颗粒度为单位扫描轨迹上点的数量。
4.根据权利要求3所述的液冷冷板的制备方法，其特征在于，所述工作距离为150mm～350mm。
5.根据权利要求3所述的液冷冷板的制备方法，其特征在于，当扫描波形总点数5000～100000个时，所述扫描频率为1000Hz～1500Hz；当扫描波形总点数＞100000个时，所述扫描频率为大于1500Hz。
6.根据权利要求3所述的液冷冷板的制备方法，其特征在于，所述扫描波形颗粒度为100点/mm～150点/mm。
7.根据权利要求3所述的液冷冷板的制备方法，其特征在于，所述造型单元图形为多段线段组成的图形时，所述扫描路径为：将同一方向的线段归为一组，将一组线段扫描后，再将该组线段相反方向扫描路径的扫描，以此，将所有线段依次扫描。
8.根据权利要求3所述的液冷冷板的制备方法，其特征在于，根据柱状表面造型产生的热量选择扫描时间。
9.根据权利要求1至8任一项所述的液冷冷板的制备方法，其特征在于，步骤S6中，根据优化后的电子束表面造型扫描波形及工艺参数，在待加工冷板本体流道内制备出柱状表面造型前，在待加工冷板本体底部设置散热结构。
10.根据权利要求9所述的液冷冷板的制备方法，其特征在于，步骤S6中，所述散热结构的厚度大于或等于待加工冷板本体的厚度；所述散热结构的宽度大于待加工冷板本体的宽度；所述散热结构的长度大于待加工冷板本体的长度。
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