CN117001289B - 一种制备异形微细通道板式换热器的复合工艺及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于换热技术领域，公开了一种制备异形微细通道板式换热器的复合工艺及系统，基于激光选区熔融增材制造技术与微细电火花成型工艺形成的一种多种工艺相结合的复合工艺，实现了一种大纵横比流道以及封闭轮廓截面流道的异形微细通道板式换热器。使用本发明的复合工艺可以加工任意截面的通道，包括且不限于圆形、矩形等异形截面通道；可以加工中空封闭轮廓截面的流道,包括且不限于微细圆孔、微细方孔等异形截面通道；可以实现任意纵横比微细通道高精度加工，包括且不限于微细矩形等异形截面通道。使用本发明的复合工艺加工的换热器相较于一般的微细通道换热器可以耐受极端的高温高压工况，更加环保，无污染。
Description
技术领域
本发明属于换热技术领域，尤其涉及一种制备异形微细通道板式换热器的复合工艺及系统。
背景技术
印刷电路板换热器（PCHE）是一种新型高效紧凑的微细通道板式换热器，能在高温、高压等恶劣条件下进行传热。印刷电路板换热器的传统工艺制造流程如下：首先通过蚀刻工艺在金属板片上刻蚀开放截面的流道，之后通过真空扩散焊将多层板片层叠焊接得到一体化换热器芯体，最后进出口连接封头得到印刷电路板换热器。其中，蚀刻工艺主要为湿法化学蚀刻，板片材质通常为不锈钢，流道截面以半圆形、翼型翅片以及S形翅片等开放截面为主。
目前，湿法化学蚀刻的工艺特性制约了微细通道板式换热器的流道形式和材料选择，进而限制了其高温高压性能与可靠性。首先，由于蚀刻液和被刻蚀金属的反应是各向同性的，反应物质可以在任何方向上参与反应，导致掩膜材料下方的基板材料也会被错误腐蚀，产生化学蚀刻中的侧蚀现象；其次，由于随着反应的进行金属表面会逐渐钝化，随着蚀刻深度的增加，蚀刻液更新速率不断降低，成分一致性降低导致蚀刻速率产生区域偏差并且整体下降。综上原因，湿法化学蚀刻对于流道截面的纵横比（流道截面的深度与宽度的比值）有严格的要求，不能加工大纵横比截面的精密流道；针对高温合金等耐腐蚀性很强的材料，湿法化学蚀刻效率较低，且通常会使用到盐酸、硝酸等强腐蚀性物质，不符合绿色加工的环保理念。
除此之外，现有的工艺无法加工圆形、椭圆形、多边形等封闭轮廓截面的流道，限制了微细通道板式换热器的承压性能和紧凑度。
中国专利CN 104266514 B提到了一种整体式换热器的加工方法，该方法利用线切割完成每层孔道的加工，利用常规焊接方法（电焊、氩弧焊等）对每层外壁面的切割线缝隙进行焊接封堵。但是该方法仅封闭了换热器外表面的切割线缝隙，内部的切割线缝隙仍处于开放状态，每层筋板与上部壁面分离，导致同一层的孔道内部形成实质互相连通，且层与层仅有最外围实质连接，内部固体并未实质一体，大大增加了热阻，换热器换热效率、承压能力仍有提升空间。除此之外，专利所述加工方法的每个直通孔道水力直径为1-4mm，直通孔道之间的间壁厚度为1-2mm，通道的特征尺寸和间隔壁厚仍有显著优化空间。
中国专利CN 105880956 B提到了微孔隙结构多孔底面的微通道换热器及其制造方法，然而该方法所加工的尺寸最小微通道宽度为0.4mm，相邻两条微通道之间的最小间距是0.4mm，两个特征尺寸仍有缩小的空间；其次该方法制备的换热器无法耐受高温高压。
中国专利CN 105698563 B提到了一种具有分流-汇流结构的微通道换热器及其制造方法，其中制造方法的特征在于:所述金属微通道基体为铜基板或铝基板或不锈钢基板，实际可以不限于对上述材料基板的加工，例如可适用于高温合金、钛合金等材料的加工。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
1. 无法实现大纵横比流道：传统加工工艺和制造方法限制了微细通道板式换热器的流道尺寸和形状，无法实现大纵横比流道，即通道宽度与长度的比例较大。这导致换热器的换热面积有限，影响换热效率和换热性能。
2. 无法加工封闭轮廓截面流道：现有加工工艺无法有效地加工圆形、椭圆形、多边形等封闭轮廓截面的流道，造成内部切割线缝隙未被封堵，导致不同层次的孔道内部实质形成互相连通，影响换热器的承压性能和紧凑度。
3. 特征尺寸和间隔壁厚有限：现有专利中提到的微通道尺寸和间隔壁厚仍有改进空间。微通道的尺寸和间隔壁厚对换热器的性能影响大，如能进一步缩小特征尺寸和增加间隔壁厚，将有助于提高换热器的换热性能。
4. 高温高压性能不足：现有技术中某些换热器无法耐受高温高压环境，这在某些工业和能源领域的应用中是必要的。因此，需要开发新型的微细通道板式换热器，以满足高温高压环境下的换热需求。
解决这些缺陷和技术问题需要创新性的加工工艺和制造方法，以实现大纵横比流道、封闭轮廓截面流道和微细通道尺寸的进一步优化。同时，需要考虑换热器的材料选择，以确保其能够耐受高温高压环境的要求。新型的异形微细通道板式换热器的研发将为能源石化、航空航天等领域的换热应用提供更高效、可靠的解决方案。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种制备异形微细通道板式换热器的复合工艺及系统。
本发明是这样实现的，一种制备异形微细通道板式换热器的复合工艺及系统，采用激光选区熔化、电火花切割、精密磨削、微细电火花成型和真空扩散焊接等多种先进加工技术相结合，实现了异形微细通道板式换热器的高效制备。其中，激光选区熔化技术打印金属基体具有高度的设计自由度；电火花切割保留了板片上下表面的磨削裕量，确保后续磨削的精度；微细电火花成型实现了复杂微细流道结构；真空扩散焊接保证了多层板片之间接合质量。整体方案为换热器制造带来了创新和进步。
进一步，包括以下加工步骤：
S101，使用激光选区熔化技术打印具有封闭轮廓截面中空流道阵列与锁固工艺头的金属基体；
S102，将清粉完毕的多层金属基体利用电火花技术切割成单层金属板片，板片上下表面各留0.1mm-1mm的磨削裕量；
S103，将切割成的单层板片通过锁固工艺头的沉头孔和螺栓连接到精密磨床上进行磨削，保证切割后单层板片的上下表面磨削至表面光滑、平整，厚度尺寸精准；
S104，使用微细电火花技术，利用阵列线电极丝在单层金属基体板片上切割成型大纵横比截面流道；
S105，使用醋酸等弱酸性溶剂清除金属表面氧化层，再浸泡于无水乙醇等有机溶剂去除表面油污，最后使用去离子水和高压空气清晰并干燥；将单层板片一层一层压实，通过工艺头锁固住多层板片，使用真空扩散焊焊接得到异形微细通道板式换热器芯体；使用快丝切除工艺头，得到最终异形微细通道板式换热器芯体。
进一步，S101中，为了防止单层基体的打印时发生变形，采用多层基体层叠打印的方式，为了防止水平打印挂渣堵塞微细通道，打印方向沿核心直管段竖直打印。
进一步，S101中，打印前采用粒度为5—35um的金属粉末，使用氩气作为保护气体，开启预热功能加热至60℃，打印后使用高压空气和高压去离子水对实验件内部的中空流道进行清粉处理。
进一步，在S104中，阵列线电极丝设大纵横比截面流道，数量为X，被分为Y组，则电极数量为Y个；成型电极的电极丝相间布置，单层金属基体板片上的大纵横比截面流道阵列需要阵列电极X/Y次下压成型。
进一步，所述制备异形微细通道板式换热器的复合工艺制造的流道特征理论纵横比没有范围约束，封闭轮廓的最小特征尺寸不小于0.1mm，单层换热板厚度不小于0.3mm。
进一步，所述制备异形微细通道板式换热器的复合工艺可以加工任意截面的通道，包括异形截面通道。
进一步，所述制备异形微细通道板式换热器的复合工艺可以加工中空封闭轮廓截面的流道，包括异形截面流道。
进一步，所述制备异形微细通道板式换热器的复合工艺加工的通道，同一层流道和层与层流道之间都互相独立，互相隔离，不会存在层内流动与层间流动。
本发明的另一目的在于提供一种复合工艺制备异形微细通道板式换热器的实现方案：
1. 激光选区熔化技术（S101）：首先，使用激光选区熔化技术打印金属基体。这是一种增材制造（3D打印）技术，它利用激光束在金属粉末层上按照预定的路径进行扫描，使金属粉末熔化并固化，形成预定的图层。通过重复此过程，可以打印出具有高度设计自由度的金属基体，特别是具有大深径比和大纵横比的换热器通道。
2. 电火花切割（S102）：然后，使用电火花切割将多层金属基体切割成单层金属板片。电火花切割是一种利用电极丝产生的高温火花进行切割的方法。这个过程可以保留板片上下表面的磨削裕量，确保后续磨削的精度。
3. 精密磨削（S103）：接下来，对单层金属板片的上下表面进行精密磨削，使表面光滑、平整，厚度尺寸精确。这涉及使用研磨机或其他类似的工具。
4. 微细电火花成型（S104）：然后，利用微细电火花成型在精磨后的金属板片上制造复杂的流道结构。这涉及使用微电火花加工机，它能在金属表面产生微小的火花，通过蚀刻金属表面来形成复杂的结构。
5. 真空扩散焊接（S105）：最后，利用真空扩散焊接将多层板片焊接成一体。真空扩散焊接是一种在真空条件下进行的焊接方法，它可以实现多层金属板片之间的连接，使其成为一个整体。
以上就是这种复合工艺制备异形微细通道板式换热器的实现方案。具体的实现需要根据实际的设计需求和设备条件进行调整。
本发明的另一目的在于提供一种制备异形微细通道板式换热器的系统，包括：
1） 激光选区熔化模块：使用激光选区熔化技术，通过激光熔化金属粉末，实现具有封闭轮廓截面中空流道阵列与锁固工艺头的金属基体打印；
2） 电火花切割模块：利用电火花技术，将清粉完毕的多层金属基体切割成单层金属板片，确保板片上下表面各留有0.1mm-1mm的磨削裕量；
3） 精密磨削模块：将切割成的单层板片通过锁固工艺头的沉头孔和螺栓连接到精密磨床上进行磨削，保证切割后单层板片的上下表面磨削至表面光滑、平整，厚度尺寸精准；
4） 微细电火花成型模块：利用微细电火花技术，使用阵列线电极在单层金属基体板片上切割成型大纵横比截面流道，实现异形微细通道结构；
5） 清洁与焊接模块：使用醋酸等弱酸性溶剂清除金属表面氧化层，再浸泡于无水乙醇等有机溶剂去除表面油污，最后使用去离子水和高压空气清洗并干燥；将单层板片一层一层压实，并通过工艺头锁固住多层板片，使用真空扩散焊焊接得到异形微细通道板式换热器芯体；使用快丝切除工艺头，得到最终异形微细通道板式换热器芯体。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
第一、本发明提供的制备异形微细通道板式换热器的复合工艺实现了一种大纵横比流道以及封闭轮廓截面流道的异形微细通道板式换热器。在制备异形微细通道板式换热器的复合工艺中，每个步骤都取得了显著的技术进步。
以下是每个步骤的具体技术进步：
1. 加工步骤S101：使用激光选区熔化技术打印金属基体。
显著技术进步：激光选区熔化技术是一种快速成型技术，它使得可以根据设计的结构数据，直接从金属粉末中打印出复杂的异形微细通道板式换热器金属基体。相比传统的机械加工，激光选区熔化技术具有以下优势：更宽容的材料选择性、更高的生产效率和更大的设计自由度，相比蚀刻工艺的二维加工，能够三维空间制造出更加复杂和精密的结构，与传统减材制造相比，不受限于材料的切削性能，可加工材料范围更广，加工微孔的深径比可突破100：1，粉末材料可回收筛分重复利用，可节约大量材料。
2. 加工步骤S102：电火花切割多层金属基体成单层板片。
显著技术进步：电火花切割技术可以高精度地将多层金属基体切割成单层板片，其切割过程不会造成物理变形或机械应力，确保切割后的板片保持高度准确的尺寸和平整度。这对于制备微细通道板式换热器的薄板材料至关重要，传统的机械切割导致较大的变形和尺寸误差。
3. 加工步骤S103：精密磨削单层板片。
显著技术进步：通过精密磨床对单层金属板片进行磨削，可以确保其表面光滑、平整，并且保持设计要求的精确厚度尺寸。这种磨削加工方式比传统的机械磨削更为精确，能够达到微米级的尺寸精度，从而保障了换热器的换热性能和密封性。
4. 加工步骤S104：微细电火花切割形成大纵横比截面流道。
显著技术进步：微细电火花成型技术可以在金属板片表面制造出复杂的微细通道结构，包括大纵横比的截面流道。这使得换热器能够在有限的空间内实现更高的传热效率和更大的表面积，从而提升换热器的性能。
5. 加工步骤S105：高效的清洁和焊接过程。
显著技术进步：清洁过程中使用了弱酸性溶剂和有机溶剂，有效地清除金属表面的氧化层和油污，确保焊接接头的质量。焊接过程采用了真空扩散焊技术，这是一种高温、高真空下的无填充金属焊接方法，能够在焊接过程中避免气体和杂质的污染，保证了焊接接头的强度和密封性。
制备异形微细通道板式换热器的复合工艺结合了激光选区熔化、电火花切割、精密磨削、微细电火花切割、清洁和高温真空焊接等先进技术，显著提高了制备过程的精度、效率和性能，实现了异形微细通道板式换热器的制造。
第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
1、可以加工任意截面的通道，包括且不限于圆形、矩形等异形截面通道。
2、可以加工中空封闭轮廓截面的流道，包括且不限于微细圆孔、微细方孔等异形截面通道。
3、可以实现任意纵横比微细通道高精度加工，包括且不限于微细矩形等异形截面通道。
4、上述工艺所制造的流道特征纵横比没有范围约束，封闭轮廓的最小特征尺寸不小于0.1mm，单层换热板厚度不小于0.3mm，制造的微细通道极限尺寸大大降低。
5、可以加工绝大部分金属材料，包括且不限于高温合金、钛合金、铝合金等金属材料。
6、采用相间布置的阵列线电极可以有效提升微细通道阵列的加工质量和加工效率。
7、无论是圆形通道还是矩形通道，同一层流道和层与层流道之间都互相独立，互相隔离，不会存在层内流动与层间流动，板片之间采用真空扩散焊实现原子级扩散连接，有效提升了换热效率和耐压能力。
8、相较于一般的微细通道换热器可以耐受极端的高温高压工况。
9、更加环保，无污染。
第三，本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：可以高效加工制造异形微细通道板式换热器，提高技术成熟度，促进产业低碳绿色环保发展；同时增材制造以及电加工属于高端先进制造业，本技术方案有利于推广高端先进制造业应用发展。相比传统的微细通道板式换热器（如印刷电路板换热器）的化学蚀刻工艺，可以加工任意纵横比截面形状的通道以及大深径比通道。
附图说明
图1是本发明实施例提供的制备异形微细通道板式换热器的复合工艺流程图。
图2是本发明实施例提供的多层金属基体结构示意图。
图3是本发明实施例提供的多层金属基体电火花切割示意图。
图4是本发明实施例提供的切割后的单层金属基体板片示意图。
图5是本发明实施例提供的上下表面磨削后的单层金属基体板片示意图。
图6是本发明实施例提供的阵列电极的电极丝相间布置示意图。
图7是本发明实施例提供的阵列电极整体结构示意图。
图8是本发明实施例提供的复合工艺制备的异形微细通道板式换热器板片示意图。
图9是本发明实施例提供的未切除工艺头的扩散焊焊接示意图。
图10是本发明实施例提供的已切除工艺头的异形微细通道板式换热器芯体示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供的制备异形微细通道板式换热器的复合工艺，其中异形通道指代换热器内部流道的截面形状为大纵横比的矩形、圆角矩形、半圆形等形状以及圆形、椭圆形和多边形等封闭轮廓形状，包括但不限于上述形状截面组合的流道。
如图1所示，本发明实施例提供的制备异形微细通道板式换热器的复合工艺的主要加工步骤如下：
S101，使用激光选区熔化技术打印具有封闭轮廓截面中空流道阵列与锁固工艺头的金属基体；
S102，将清粉完毕的多层金属基体利用电火花技术切割成单层金属板片，板片上下表面各留0.1mm-1mm的磨削裕量；
S103，将切割成的单层板片通过锁固工艺头的沉头孔和螺栓连接到精密磨床上进行磨削，保证切割后单层板片的上下表面磨削至表面光滑、平整，厚度尺寸精准；
S104，使用微细电火花技术，利用阵列线电极丝在单层金属基体板片上切割成型大纵横比截面流道；
S105，使用醋酸等弱酸性溶剂清除金属表面氧化层，再浸泡于无水乙醇等有机溶剂去除表面油污，最后使用去离子水和高压空气清晰并干燥；将单层板片一层一层压实，通过工艺头锁固住多层板片，使用真空扩散焊焊接得到异形微细通道板式换热器芯体；使用快丝切除工艺头，得到最终异形微细通道板式换热器芯体。
S101中，为了防止单层基体的打印时发生变形，采用多层基体层叠打印的打印方式，多层金属基体如图2所示；为了防止水平打印挂渣堵塞微细通道，打印方向沿核心直管段竖直打印；打印前采用粒度为5—35um的金属粉末，使用氩气作为保护气体，开启预热功能加热至60℃，打印后使用高压空气和高压去离子水对实验件内部的中空流道进行清粉处理。
S102中，如图3所示，使用电极丝将多层金属基体切割成单层金属板片；切割成的单层金属板片如图4所示。
S103中，如图5所示，单层板片的上下表面磨削至表面光滑、平整，厚度尺寸精准。
S104中，阵列线电极丝特征如下：为了减少加工过程中电极之间的互相影响，设大纵横比截面流道数量为X，被分为Y组，则电极数量为Y个；成型电极的电极丝相间布置，单层金属基体板片上的大纵横比截面流道阵列需要阵列电极X/Y次下压成型。阵列电极的电极丝相间布置示意图如图6所示，阵列电极整体结构示意图如图7所示，复合工艺制备的异形微细通道板式换热器板片如图8所示。本步骤的优点：兼顾流道内表面质量和加工效率，利于烧蚀产物排出，提升加工的稳定性和加工质量。
S105中，如图9所示，使用真空扩散焊焊接得到异形微细通道板式换热器芯体；如图10所示，使用快丝切除工艺头，得到最终异形微细通道板式换热器芯体。
作为优选，本发明提供的复合工艺所制造的流道特征理论纵横比没有范围约束，封闭轮廓的最小特征尺寸不小于0.1mm，单层换热板厚度不小于0.3mm；
激光选区熔化技术的工艺参数如下：光斑直径为20-80um，激光功率为50-200w，扫描速度为500-1500mm/s，扫描间距为0.05-0.1mm，采用条带扫描，分层厚度为10-50um。
微细电火花技术的工艺参数如下：电极丝直径为0.1mm的钼丝，加工电流为1-3A、脉冲宽度为1-5us、线电极走丝速度为1-4mm/s。
封闭轮廓截面的流道为微细圆通道，大纵横比轮廓截面的流道为带圆角的微细方通道，其中微细圆通道的水力直径不小于0.1mm，微细方通道的纵横比不超过100，通道之间的实体厚度不低于0.1mm。
板片磨削后的上下表面粗糙度不高于Ra0.4um。
因为印刷电路板式换热器的通道直径小（微米级）、数量多，且流向长度较长，圆形微细通道深径比极大，属于传统工艺极难加工的微孔范畴。并且由于通道数量多，因此必须考虑加工效率，微孔机尽管能满足加工的尺寸要求，但是其效率极低，没有实际工程应用价值。
SLM工艺对于制造复杂中空结构的换热器具有独特优势，且可以加工不受限于材料特性，可以加工包括高温合金等耐腐蚀和难切削材料，因此选择SLM工艺制造封闭轮廓截面的中空流道件。
由于高温合金属于难切削金属，其硬度高粘度大切屑控制困难，传统的机械加工无法加工薄壁阵列结构，因此考虑使用残余应力较小且加工效率较高的电火花成型技术加工大纵横比流道。
作为本发明实施例的一个优化方案，S102：在这个步骤中，电极丝被用来切割多层金属基体。电极丝通常是用来进行电火花线切割的，这是一种利用电火花产生的高温来切割金属的精密切割方法。电极丝通常是由铜、钨或其他导电材料制成的。在切割过程中，电极丝与工件之间会产生电火花，这些火花会熔化并蒸发掉工件表面的一部分，从而达到切割的目的。如图3所示的示意图显示了电极丝在切割过程中的位置以及电火花产生的区域。切割后的单层金属基体板片如图4所示。
作为本发明实施例的一个优化方案，S103：这个步骤涉及将切割后的单层金属板片的上下表面进行磨削，使其变得光滑、平整。这个过程通常涉及使用研磨机或砂轮等工具，通过物理摩擦的方式去除金属表面的粗糙部分，达到平滑的效果。这个过程也可以确保板片的厚度尺寸精确。图5显示了金属板片在磨削前后的对比。
作为本发明实施例的一个优化方案，S104：在这个步骤中，阵列电极丝的特性和布置方式被详细描述。为了减少电极之间的互相影响，大纵横比截面流道数量被设定为X，并被分为Y组。这意味着每一组中有X/Y个流道，而电极数量则为Y个。在单层金属基体板片上，流道阵列需要阵列电极X/Y次下压成型。图6显示了电极丝的布置方式，而图7显示了阵列电极整体的结构。最终，通过这种方法，可以制备出如图8所示的异形微细通道板式换热器板片。
作为本发明实施例的一个优化方案，S105：在这个步骤中，使用真空扩散焊焊接得到异形微细通道板式换热器芯体。真空扩散焊是一种在真空条件下进行的焊接方法，它利用金属原子间的扩散来实现焊接。这种方法可以在没有任何焊接熔剂的情况下，实现金属的紧密连接。然后，如图10所示，使用快丝切除工艺头，得到最终的异形微细通道板式换热器芯体。这一步涉及使用快丝电火花线切割机，在金属板片的特定位置进行精确切割，去除不需要的部分，以达到最终的形状和尺寸。
本发明实施例提供的制备异形微细通道板式换热器的复合工艺的特点为：
1. 可以加工任意截面的通道，包括且不限于圆形、矩形等异形截面通道。
2. 可以加工中空封闭轮廓截面的流道,包括且不限于微细圆孔、微细方孔等异形截面通道。
3. 可以实现任意纵横比微细通道高精度加工，包括且不限于微细矩形等异形截面通道。
4. 上述工艺所制造的流道特征纵横比没有范围约束，封闭轮廓的最小特征尺寸不小于0.1mm，单层换热板厚度不小于0.3mm，制造的微细通道极限尺寸大大降低。
5. 可以加工绝大部分金属材料，包括且不限于高温合金、钛合金、铝合金等金属材料。
6. 采用相间布置的阵列线电极有效提升微细通道阵列的加工质量和加工效率。
7. 无论是圆形通道还是矩形通道，同一层流道和层与层流道之间都互相独立，互相隔离，不会存在层内流动与层间流动，板片之间采用真空扩散焊融为一体，有效提升换热效率和耐压能力。
8. 相较于一般的微细通道换热器可以耐受极端的高温高压工况。
9. 更加环保，无污染。
本发明实施例提供的制备异形微细通道板式换热器的复合工艺是基于激光选区熔融增材制造技术与微细电火花成型工艺形成的一种多种工艺相结合的复合技术工艺路线，称为SED技术工艺路线。该工艺路线主要加工路径为异形微细通道预冷换热器冷侧的圆形通道采用SLM增材制造技术进行一体成型，然后再在一体成型的芯体板片上进行EDM电火花切割烧蚀形成热侧的方形通道，最后将芯体板片打磨光滑后依靠扩散焊每层芯体板片进行组合拼接形成最终的异形微细通道预冷换热器原理样机，以下是针对SED技术工艺路线中所涉及到的具体加工参数及加工过程进行详细描述。
1.首先使用SLM增材制造技术加工出带有直径为0.6mm的圆形通道阵列结构的芯体板片和沉头孔（此处沉头孔与原理样机结构无关，仅当作后续加工过程中紧固定位的手段，孔径无精度要求）的基体，单层基体板片尺寸为373mm×24mm×1.75mm（含边缘尺寸），成型粉末选用5-35um粒径的GH4169粉末，定制微光斑直径为60um；此外，为了防止仅打印单层基体（厚度较薄约为1.75mm）导致加工过程中产生变形翘曲影响后续芯体板片平整度，因此改用多层基体板片层叠打印的加工方式，每块层叠集体共由5块单层板片组成，厚度约为8.75mm。在打印过程中，由于微细通道直径为0.6mm，为了防止沿芯体流道方向打印会造成挂渣堵塞，打印方向沿核心直管段与流道方向垂直进行竖直打印，打印的含微细圆孔通道的多层基体模型与加工试验件如图2所示。
2. 将上述打印成型的层叠基体芯体表面简单清洗处理后，利用快走丝（丝径0.18mm钼丝）进行切割，如图3所示，含5层板片的基体被切成厚度为2.0mm的单层板片，切割过程中每层芯体板片上下表面各留0.2mm磨削裕量。切割后的单层基体板片模型与加工试验件如图4所示。
3. 将切割好的单层板片放置在乙醇溶液中进行超声波清洗，去除表面切割过程中产生的杂质和污垢，然后将上述过程中打印的沉头孔与对应匹配的螺栓连接到精密磨床上进行磨削。如图5所示，保证切割后单层板片的上下表面磨削至表面光滑、平整，厚度尺寸精准。
4. 将磨削好的单层基体板片按照指定位置进行摆正，在电极烧蚀之前，考虑到由于使用电火花成型工艺在基体板片高温侧进行薄壁微细翅片加工。并且薄壁微细通道属于阵列排布，通道间距很小仅为0.2 mm，需要多根电极并行下压进行烧蚀，为了尽量减少加工过程中相邻电极间的互相影响，因此成型电极的电极丝采用相间布置，如图6所示。选用直径为0.1mm的钼丝阵列作为加工电极，电极结构如图7所示，加工短路电流为1A，脉冲宽度为6μs，开路电压为150V。单块基体板片上的所有方形翅片结构需要电极两次下压成型，兼顾薄壁质量和通道效率的同时，也利于烧蚀产物的排除，提升了加工的稳定性，图8为电火花成型工艺试验件模型示意图，最终形成电火花成型后的加工试验件。在GH4169板片上切割出宽为0.2mm、高为1mm、间距为0.2mm的矩形微细通道。
5. 将电火花成型后的单层基体板片进行超声波清洗，由于前述工艺主要以增材、减材对试验件进行加工，加工完成后由于微细通道较小，有一些工艺加工过程中的残渣或碎屑夹在在细小的流道内部，因此待清洗完成后进行塑料薄膜密封送至焊接，焊接过程中提前将加工后的板片一层一层堆叠并压实，调节温度、压力使用扩散焊接组合成型，成型的试验件最后使用快丝将最初的工艺沉头端切除，得到最终异形通道印刷电路板式换热器芯体。
表1 芯体翅片检测项目、方法及结论
| 检测项目 | 检测方法 | 计量环境 | 技术要求 | 测量值 | 评判结论 |
| 零件厚度 | 千分尺 | 20±2℃/40% | 2.01mm~2.05mm | 2.012mm~2.041mm | 合格 |
| 表面粗糙度 | 粗糙度仪 | 20±2℃/40% | Ra0.8μm | Ra0.204μm－Ra0.561μm | 合格 |
| 平行度 | 千分表 | 20±2℃/40% | 0.01/100mm | 0.001/100mm-0.009/100mm | 合格 |
| 槽深 | 万能工具显微镜 | 20±2℃/40% | 1±0.02mm | 0.9819m-1.0191mm | 合格 |
| 槽宽 | 万能工具显微镜 | 20±2℃/40% | 0.2±0.01mm | 0.200mm-0.207mm | 合格 |
| 加工变形量 | 千分表 | 20±2℃/40% | 0.01/100mm | 0.005/100mm-0.010/100mm | 合格 |
| 表面完整性 | 50倍放大镜 | 20±2℃/40% | 表面无擦伤、划伤 | 未见擦伤、划伤 | 合格 |
| 流道多余物 | 0.7MPa气压机及滤纸 | 20±2℃/40% | 内部流道洁净，无堵塞 | 未见多余物 | 合格 |
针对本发明研发过程的部分测量数据如表2所示。
表2 研发部分测量数据
| 试验件 | 零件厚度（mm） | 表面粗糙度 | 平行度 | 槽深 | 槽宽 | 加工变形量 | 表面完整性 | 多余物 |
| 1号翅片 | 2.028 | Ra0.4μm | 0.01/100mm | 1.01mm | 0.205mm | 0.005/100mm | 表面无擦伤、划伤 | 内部流道洁净无堵塞 |
| 2号翅片 | 2.025 | 0.01/100mm | 0.99mm | 0.200mm | 0.007/100mm | 表面无擦伤、划伤 | 内部流道洁净无堵塞 | |
| 3号翅片 | 2.021 | Ra0.4μm | 1.02mm | 0.203mm | 0.007/100mm | 表面无擦伤、划伤 | 内部流道洁净无堵塞 | |
| 4号翅片 | 2.031 | Ra0.4μm | 0.01/100mm | 1.01mm | 0.202mm | 0.010/100mm | 表面无擦伤、划伤 | 内部流道洁净无堵塞 |
| 5号翅片 | 2.027 | Ra0.4μm | 0.01/100mm | 1.00mm | 0.201mm | 0.008/100mm | 表面无擦伤、划伤 | 内部流道洁净无堵塞 |
| 6号翅片 | 2.024 | Ra0.3μm | 0.01/100mm | 1.01mm | 0.200mm | 0.006/100mm | 表面无擦伤、划伤 | 内部流道洁净无堵塞 |
| 7号翅片 | 2.027 | Ra0.3μm | 0.01/100mm | 0.98mm | 0.201mm | 0.005/100mm | 表面无擦伤、划伤 | 内部流道洁净无堵塞 |
| 8号翅片 | 2.033 | Ra0.4μm | 0.01/100mm | 0.99mm | 0.200mm | 0.007/100mm | 表面无擦伤、划伤 | 内部流道洁净无堵塞 |
| 9号翅片 | 2.022 | Ra0.3μm | 0.01/100mm | 1.00mm | 0.204mm | 0.005/100mm | 表面无擦伤、划伤 | 内部流道洁净无堵塞 |
| 10号翅片 | 2.035 | Ra0.4μm | 0.01/100mm | 1.01mm | 0.203mm | 0.007/100mm | 表面无擦伤、划伤 | 内部流道洁净无堵塞 |
对制备的合计100片翅片使用千分尺和万能工具显微镜进行翅片厚度、流道深度以及宽度进行测量，发现工艺稳定性优良，流道纵横比达5:1。
使用CNC扫描仪对圆截面流道的直径进行测量，测得圆孔直径在0.2-0.214 mm之间，流道总长为50mm，流道深径比达125。
制备异形微细通道板式换热器的复合工艺包括多个步骤，每个步骤具体的实施例如下。
实施例一：
加工步骤S101：使用激光选区熔化技术打印具有封闭轮廓截面中空流道阵列与锁固工艺头的金属基体。
实现方案：在一台配备激光选区熔化设备的机器中，输入设计好的异形微细通道板式换热器结构数据，利用激光熔化金属粉末的方式，逐层打印金属基体，并在特定位置添加锁固工艺头。
实施例二：
加工步骤S102：将清粉完毕的多层金属基体利用电火花技术切割成单层金属板片，板片上下表面各留0.1mm-1mm的磨削裕量。
实现方案：将经过打印的多层金属基体进行清粉，并使用电火花切割技术将其切割成单层金属板片，确保上下表面各留有一定的磨削裕量，以便后续的磨削加工。
实施例三：
加工步骤S103：将切割成的单层板片通过锁固工艺头的沉头孔和螺栓连接到精密磨床上进行磨削，保证切割后单层板片的上下表面磨削至表面光滑、平整，厚度尺寸精准。
实现方案：将切割成的单层金属板片放置在锁固工艺头的沉头孔中，并使用螺栓固定，然后将其放置在精密磨床上进行磨削加工，确保板片的上下表面光滑、平整，并且达到设计要求的精确厚度尺寸。
实施例四：
加工步骤S104：使用微细电火花技术，利用阵列线电极丝在单层金属基体板片上切割成型大纵横比截面流道。
实现方案：利用微细电火花技术，在单层金属板片表面通过阵列线电极丝进行精密切割，形成异形的微细通道结构，保证流道具有大纵横比，以提高换热效率。
以上是制备异形微细通道板式换热器的复合工艺的四个具体实施例及实现方案。整个工艺的步骤包括激光打印、电火花切割、磨削、微细电火花切割、清洗、压实焊接和快丝切除，这些步骤共同完成了异形微细通道板式换热器的制备过程。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种制备异形微细通道板式换热器的复合工艺，其特征在于，采用激光选区熔化技术、电火花切割、精密磨削、微细电火花成型和真空扩散焊接多种加工技术相结合，实现异形微细通道板式换热器的制备；激光选区熔化技术打印金属基体具有设计自由度，换热器通道具备大深径比以及换热器通道截面具备大纵横比；电火花切割保留了板片上下表面的磨削裕量，确保后续磨削的精度；磨削和电火花切割实现了复杂流道结构；真空扩散焊接保证了多层板片的一体化冶金连接；
包括以下加工步骤：
S101，使用激光选区熔化技术打印具有封闭轮廓截面中空流道阵列与锁固工艺头的金属基体；
S102，将清粉完毕的多层金属基体利用电火花技术切割成单层金属板片，板片上下表面各留0.1mm-1mm的磨削裕量；
S103，将切割成的单层板片通过锁固工艺头的沉头孔和螺栓连接到精密磨床上进行磨削，保证切割后单层板片的上下表面磨削至表面光滑、平整，厚度尺寸精准；
S104，使用微细电火花技术，利用阵列线电极丝在单层金属基体板片上切割成型大纵横比截面流道；
S105，使用醋酸清除金属表面氧化层，再浸泡于无水乙醇去除表面油污，最后使用去离子水和高压空气清晰并干燥；将单层板片一层一层压实，通过工艺头锁固住多层板片，使用真空扩散焊焊接得到异形微细通道板式换热器芯体；使用快丝切除工艺头，得到最终异形微细通道板式换热器芯体；
S101中，为了防止单层基体的打印时发生变形，采用多层基体层叠打印的打印方式，为了防止水平打印挂渣堵塞微细通道，打印方向沿核心直管段竖直打印；
打印前采用粒度为5～35um的金属粉末，使用氩气作为保护气体，开启预热功能加热至60℃，打印后使用高压空气和高压去离子水对实验件内部的中空流道进行清粉处理；
在S104中，阵列线电极丝设大纵横比截面流道，数量为X，被分为Y组，则电极数量为Y个；成型电极的电极丝相间布置，单层金属基体板片上的大纵横比截面流道阵列需要阵列电极X/Y次下压成型；
所述制备异形微细通道板式换热器的复合工艺制造的流道特征理论纵横比没有范围约束，封闭轮廓的最小特征尺寸不小于0.1mm，单层换热板厚度不小于0.3mm。
2.如权利要求1所述制备异形微细通道板式换热器的复合工艺，其特征在于，所述制备异形微细通道板式换热器的复合工艺加工任意截面的通道，包括异形截面通道。
3.如权利要求1所述制备异形微细通道板式换热器的复合工艺，其特征在于，所述制备异形微细通道板式换热器的复合工艺加工中空封闭轮廓截面的流道，包括异形截面流道。
4.如权利要求1所述制备异形微细通道板式换热器的复合工艺，其特征在于，所述制备异形微细通道板式换热器的复合工艺加工的通道，同一层流道和层与层流道之间都互相独立，互相隔离，不会存在层内流动与层间流动。
5.如权利要求1所述制备异形微细通道板式换热器的复合工艺，其特征在于，还包括：
1)激光选区熔化技术：使用激光选区熔化技术打印金属基体；利用激光束在金属粉末层上按照预定的路径进行扫描，使金属粉末熔化并固化，形成预定的图层；通过重复此过程，打印出具有高度设计自由度的金属基体，具有大深径比和大纵横比的换热器通道；
2)电火花切割：使用电火花切割将多层金属基体切割成单层金属板片；
3)精密磨削：对单层金属板片的上下表面进行精密磨削，使表面光滑、平整，厚度尺寸精确；
4)微细电火花成型：利用微细电火花成型在精磨后的金属板片上制造复杂的流道结构；
5)真空扩散焊接：利用真空扩散焊接将多层板片焊接成一体。
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Also Published As
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