PL210889B1

PL210889B1 - Method for increasing the active surface of metal parts, particularly the heat exchange surface of metal parts

Info

Publication number: PL210889B1
Application number: PL389769A
Authority: PL
Inventors: Bogusław Grabas
Original assignee: Politechnika Swietokrzyska
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2009-12-04
Publication date: 2012-03-30
Also published as: PL389769A1

Description

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 210889 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 389769 (51) Int.Cl.(12) PATENT DESCRIPTION (19) PL (11) 210889 (13) B1 (21) Application number: 389769 (51) Int.Cl.

F28F 3/04 (2006.01) H01L 23/36 (2006.01)F28F 3/04 (2006.01) H01L 23/36 (2006.01)

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 04.12.2009Patent Office of the Republic of Poland (22) Date of filing: 04.12.2009

Sposób zwiększania powierzchni czynnej elementów metalowych, zwłaszcza powierzchni wymiany ciepła elementów metalowychA method of increasing the active surface area of metal elements, especially the heat transfer surface area of metal elements

(73) Uprawniony z patentu: (73) The right holder of the patent: (43) Zgłoszenie ogłoszono: (43) Application was announced: POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA, Kielce, PL ŚWIĘTOKRZYSKA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, Kielce, PL 06.06.2011 BUP 12/11 06/06/2011 BUP 12/11 (72) Twórca(y) wynalazku: (72) Inventor (s): BOGUSŁAW GRABAS, Kraków, PL BOGUSŁAW GRABAS, Krakow, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: (45) The grant of the patent was announced: 30.03.2012 WUP 03/12 30.03.2012 WUP 03/12 (74) Pełnomocnik: (74) Representative: rzecz. pat. Antoni Garstka item. stalemate. Antoni Garstka

PL 210 889 B1PL 210 889 B1

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób zwiększania powierzchni czynnej elementów metalowych, zwłaszcza powierzchni wymiany ciepła elementów metalowych, lub wykonanych ze stopów metali.The subject of the invention is a method of increasing the active surface of metal elements, in particular the heat exchange surface of metal elements or made of metal alloys.

Radiatory i wymienniki ciepła stanowią istotny element pracy wielu urządzeń przemysłowych (np. układy elektroniczne, klimatyzatory, układy chłodzenia reaktorów jądrowych) czy domowego użytku (np. komputery osobiste, odbiorniki RTV). Odpowiednio przygotowane powierzchnie tych urządzeń odbierają ciepło od elementów pracujących i przekazują to ciepło czynnikowi chłodzącemu stykającemu się z tymi powierzchniami. Czynnik chłodzący może odbierać ciepło bez lub ze zmianą fazy.Radiators and heat exchangers are an important element of the operation of many industrial devices (e.g. electronic systems, air conditioners, nuclear reactor cooling systems) or home use (e.g. personal computers, RTV receivers). Properly prepared surfaces of these devices receive heat from the working elements and transfer this heat to the coolant in contact with these surfaces. The coolant can absorb heat without or with a phase change.

Wraz z postępującą miniaturyzacją urządzeń przemysłowych coraz większego znaczenia nabiera problem odprowadzania dużych strumieni ciepła przez powierzchnię.With the progressive miniaturization of industrial devices, the problem of removing large heat fluxes through the surface becomes more and more important.

Z polskiego opisu patentowego PL 201 106 znany jest sposób zwię kszania powierzchni wymiany ciepła elementów metalowych, lub wykonanych ze stopów metali, który charakteryzuje się tym, że dokonuje się przetopienia powierzchni w obecności kanalika parowego powstałego w wyniku działania skoncentrowanej wiązki laserowej. Przetopienia dokonuje się strumieniem plazmy lub wiązką elektronową. Sam proces przetopienia można prowadzony jest w sposób impulsowy, pulsacyjny lub ciągły. Przetopienie prowadzone jest z wytworzeniem lica i grani przetopu lub też z wytworzeniem podcięcia lica przetopu.The Polish patent description PL 201 106 describes a method of increasing the heat transfer surface of metal elements or elements made of metal alloys, characterized by the fact that the surface is remelted in the presence of a steam channel formed as a result of the action of a concentrated laser beam. Melting is performed with a plasma stream or an electron beam. The remelting process itself can be carried out in a pulsed, pulsed or continuous manner. Remelting is carried out to form the cut face and root, or to create an undercut of the cut face.

Przetopienie w obecności kanalika parowego, z uwagi na specyfikę zachowania się kanalika parowego prowadzi zawsze do powstania kąpieli metalowej charakteryzującej się dużo większą głębokością w stosunku do jej szerokości i długości. Ponadto niestabilność procesów fizykochemicznych zachodzących w kąpieli metalowej i kanaliku parowym może doprowadzić do powstania struktury o mocno zróż nicowanej głębokoś ci przetopienia.Remelting in the presence of a steam channel, due to the specific behavior of the steam channel, always leads to the formation of a metal bath characterized by a much greater depth in relation to its width and length. Moreover, the instability of the physicochemical processes occurring in the metal bath and the steam channel can lead to the formation of a structure with a highly differentiated fusion depth.

W przypadku przetapiania np. przedmiotów cienkościennych o grubościach często mniejszych od 1 mm (np. płyty przepływowe wymieniające ciepło w wymiennikach ciepła) głębokość przetopienia wymaga ścisłej kontroli, a mimo to może prowadzić do utworzenia przypadkowej, niepożądanej grani przetopu lub utraty ciągłości materiału.In the case of remelting, for example, thin-walled objects with thicknesses often less than 1 mm (eg heat exchange flow plates in heat exchangers), the remelting depth requires strict control, and yet it may lead to the formation of an accidental, undesirable ridge or loss of material continuity.

Celem wynalazku jest wykorzystanie techniki przetapiania, która to technika w prosty sposób umożliwia wytworzenie na powierzchni struktur odznaczających się równocześnie zwiększoną chropowatością i powierzchnią czynną, w tym powierzchnią wymiany ciepła.The aim of the invention is to use the remelting technique, which technique easily enables the production on the surface of structures characterized by simultaneously increased roughness and an active surface, including a heat transfer surface.

Istota sposobu, w którym dokonuje się przetopienia powierzchni elementu, według wynalazku polega na tym, że przetopienia dokonuje się w temperaturze niższej od temperatury wrzenia i jednocześnie podczas przetapiania element poddaje się wibracji.The essence of the method of remelting the surface of an element according to the invention consists in the fact that remelting is performed at a temperature lower than the boiling point, and at the same time during remelting, the element is subjected to vibrations.

Korzystnie, przetopienia powierzchni dokonuje się wiązką laserową lub wiązką elektronową.Preferably, surface remelting is performed with a laser beam or an electron beam.

Wynalazek pozwala na uzyskanie w jednej operacji kilkakrotnego zwiększenia powierzchni czynnej, w tym powierzchni wymiany ciepła. Według wynalazku można proces ten przeprowadzić w temperaturze niższej od temperatury wrzenia materiału obrabianego elementu uniemożliwiają c powstanie kanalika parowego. Proces taki nazywa się przetapianiem kondukcyjnym, bądź spawaniem kondukcyjnym, gdy łączy się metalurgicznie ze sobą materiały. Przetopy takie są stosunkowo płytkie o równomiernie rozłożonej głębokości przetopienia. W ten sposób można np. przetopić jednostronnie cienkościenne materiały bez obawy o możliwość utworzenia przypadkowej, niepożądanej grani przetopu a także utraty ciągłości materiału.The invention allows to obtain in one operation several times increase of the active surface, including the heat exchange surface. According to the invention, this process can be carried out at a temperature lower than the boiling point of the workpiece material, preventing the formation of a steam channel. This process is called conduction remelting, or conduction welding, when materials are metallurgically joined together. Such penetrations are relatively shallow with an evenly distributed depth of penetration. In this way, for example, one-sided thin-walled materials can be remelted without fear of the possibility of creating an accidental, undesirable fusion ridge, as well as the loss of material continuity.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok z góry przetopienia z wibracją, fig. 2 - powiększony fragment zarysu grzbietu lica z linii A-A, z fig. 1, skanowania profilometru dla pr ę dkoś ci przesuwu wiązki 2000 mm/min i czę stotliwości wibracji 105 Hz, fig. 3 - powiększony fragment zarysu grzbietu lica dla prędkości przesuwu wiązki 2600 mm/min i częstotliwości wibracji 110 Hz, fig. 4 - powiększony fragment zarysu grzbietu lica dla prędkości przesuwu wiązki 2000 mm/min i częstotliwości wibracji 110 Hz, fig. 5 - powiększony fragment zarysu grzbietu lica dla prędkości przesuwu wiązki 1500 mm/min i częstotliwości wibracji 80 Hz, a fig. 6 - powię kszony fragment zarysu grzbietu lica przetopu nie poddawanego wibracji.The subject of the invention is presented in the examples of the drawing, in which Fig. 1 shows a top view of the remelting with vibration, Fig. 2 - an enlarged fragment of the outline of the face ridge from the line AA, from Fig. 1, scanning the profilometer for the beam speed 2000 mm / min and vibration frequency 105 Hz, Fig. 3 - enlarged fragment of the outline of the face ridge for the beam speed of 2600 mm / min and vibration frequency 110 Hz, Fig. 4 - enlarged fragment of the outline of the face ridge for the beam speed of 2000 mm / min and vibration frequency 110 Hz, Fig. 5 - an enlarged fragment of the outline of the face ridge for the beam travel speed of 1500 mm / min and the vibration frequency 80 Hz, and Fig. 6 - an enlarged fragment of the outline of the ridge of the non-vibrated fusion face.

Fig. 1 przedstawia ideowy zarys, w rzucie z góry, przetopu wykonanego z wibracją kołową drgającego elementu w płaszczyźnie równoległej do powierzchni przetopu. Przetop taki charakteryzuje się strukturą składającą się z następujących po sobie wzniesień 1 i wgłębień 2 ułożonych w kształcie zbliżonym do łuku.Fig. 1 shows a schematic outline, in plan view, of a penetration made with circular vibration of a vibrating element in a plane parallel to the penetration surface. Such a penetration is characterized by a structure consisting of successive peaks 1 and depressions 2 arranged in a shape similar to an arc.

Przetop elementu ze stali OH18N9T był poddany wibracji o parametrach: częstotliwości f = 105 Hz przy amplitudzie około 3 mm. Parametry przetopu wynosiły: moc lasera 2000 W i prędkość przesuwuThe fusion of the OH18N9T steel element was subjected to vibrations with the following parameters: frequency f = 105 Hz with an amplitude of about 3 mm. The remelting parameters were: laser power 2000 W and the travel speed

PL 210 889 B1 wiązki 2000 mm/min. Powierzchnia przetopu, według PN 87 - M/ - 0425/2, charakteryzuje się chropowatością o wskaźnikach odpowiednio R_z = 44,5 μm i R_a = 12,2 μm. Zarys grzbietu lica przetopu obrazuje fig. 2.Bundles of 2000 mm / min. The surface of the penetration, according to PN 87 - M / - 0425/2, is characterized by a roughness of R _z = 44.5 μm and R _a = 12.2 μm, respectively. The outline of the ridge of the fusion face is shown in Fig. 2.

W przypadku przetopu elementu ze stali OH18N9T parametry wibracji wynosiły: częstotliwości f = 110 Hz, amplituda około 3 mm przy parametrach przetopu odpowiednio: moc lasera 2000 W i prędkości przesuwu wiązki 2600 mm/min.In the case of remelting an element made of OH18N9T steel, the vibration parameters were as follows: frequency f = 110 Hz, amplitude about 3 mm with the remelting parameters: laser power 2000 W and beam speed 2600 mm / min.

Powierzchnia przetopu, według PN 87 - M/ - 0425/2, charakteryzuje się chropowatością o wskaźnikach odpowiednio R_z = 31,3 μm i R_a = 7,89 μm. Zarys grzbietu lica przetopu obrazuje fig. 3.The surface of the penetration, according to PN 87 - M / - 0425/2, is characterized by a roughness of R _z = 31.3 μm and R _a = 7.89 μm, respectively. The outline of the ridge of the fusion face is shown in Fig. 3.

Fig. 4 obrazuje zarys grzbietu lica przetopu elementu ze stali C45, który był poddany wibracji o parametrach: częstotliwość f = 110 Hz, amplituda około 3 mm. Parametry przetopu wynosiły: moc lasera 2000 W, prędkość przesuwu wiązki 2000 mm/min. Powierzchnia przetopu, według PN 87 - M/Fig. 4 shows the contour of the ridge of the re-fusion face of an element made of C45 steel, which was subjected to vibration with the following parameters: frequency f = 110 Hz, amplitude approx. 3 mm. The remelting parameters were: laser power 2000 W, beam speed 2000 mm / min. Root surface according to PN 87 - M /

- 0425/2, charakteryzuje się chropowatością o wskaźnikach odpowiednio R_z = 27,2 μm i R_a = 7,15 μm.- 0425/2, characterized by the roughness of R _z = 27.2 μm and R _a = 7.15 μm, respectively.

Fig. 5 obrazuje zarys grzbietu lica przetopu elementu ze stali OH18N9T, który był poddany wibracji o parametrach: częstotliwość f = 80 Hz, amplituda około 3 mm. Parametry przetopu wynosiły: moc lasera 1500 W, prędkość przesuwu wiązki 1500 mm/min. Powierzchnia przetopu, według PN 87 - M/Fig. 5 shows the contour of the ridge of the fusion face of an element made of OH18N9T steel, which was subjected to vibration with the following parameters: frequency f = 80 Hz, amplitude approx. 3 mm. The remelting parameters were as follows: laser power 1500 W, beam speed 1500 mm / min. Root surface according to PN 87 - M /

- 0425/2, charakteryzuje się chropowatością o wskaźnikach odpowiednio R_z = 17,1 μm i R_a = 4,76 μm.- 0425/2, it is characterized by a roughness of R _z = 17.1 μm and R _a = 4.76 μm, respectively.

Dla porównania, na fig. 6, przedstawiono zarys lica przetopu elementu ze stali OH18N9T nie poddawanego wibracji. Parametry przetopu: moc lasera 1500 W, prędkość przesuwu wiązki laserowej 1500 mm/min. W tym przypadku powierzchnia przetopu, według PN 87 - M/ - 0425/2, charakteryzuje się chropowatością o wskaźnikach odpowiednio R_z - 11,3 μm i R_a = 3,83 μm.For comparison, Fig. 6 shows the contour of the fusion face of an element made of OH18N9T steel not subjected to vibrations. Remelting parameters: laser power 1500 W, laser beam speed 1500 mm / min. In this case, the weld surface, according to PN 87 - M / - 0425/2, is characterized by a roughness of R _z - 11.3 μm and R _a = 3.83 μm, respectively.

We wszystkich przypadkach pomiar grzbietu lica przetopów dokonywany był przy użyciu profilometru stykowego Talysurf 4.In all cases, the ridge of the penetration face was measured with a Talysurf 4 contact profilometer.

Przetopy poddane wibracji posiadają zdecydowanie, kilkakrotnie, wyższe parametry określające chropowatość a tym samym kilkakrotnie zwiększoną powierzchnię czynną, w tym powierzchnię wymiany ciepła.Vibrated melts have significantly, several times higher parameters determining the roughness and thus the active surface, including the heat exchange surface, increased several times.

Claims

Patent claims

1. The method of increasing the active surface of metal elements, especially the heat transfer surface of metal elements or made of metal alloys, in which the surface of the element is remelted, characterized in that the remelting is performed at a temperature lower than the boiling point and at the same time during remelting the element is subjected to vibration.

2. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that the surface remelting is performed with a laser beam.

3. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that the surface remelting is performed with an electron beam.