换热器真空钎焊卡具的热应力实验设计分析

2018-01-19李恺锋杨鑫宇王家喜

山东工业技术 2018年3期

关键词：热应力钎焊换热器

李恺锋,杨鑫宇,王家喜

（贵州永红换热冷却技术有限公司,贵州惠水 550600）

1 序言

铝板翅式换热器真空钎焊所使用的卡具多为不锈钢弹簧卡具，由于钎焊温度高达600℃，钎焊时间较长，卡具的尺寸将因温度变化而伸缩。在多个弹簧作用力的约束下，卡具不能自由伸缩，故将会在其内部产生大小不一的热应力，导致卡具产生翘曲变形。

图1 产品装卡照片 (360～400℃)

图1所示产品为换热器及卡具钎焊后出炉后的照片，从图片中可见产品侧板面距卡具下表面存在大约3～5mm的缝隙，此时产品连同卡具温度约360～400℃，而实际钎焊过程中控制温度达600℃以上，可知卡具翘曲将更为严重。

2 现有卡具的热应力释放分析

以某铝板翅式换热器产品的钎焊卡具为例进行模拟分析，卡具材料的物性参数设置为：ANSI 304；弹性模量：190 GPa；泊松比：0.29；屈服强度：206.81 MPa；热膨胀系数：1.8 e-5 /K；热导率：16 W/(m*K)；比热：500 J/(kg*K)。

对构件进行分析，将现实中的压板面设置为“固定”，构件温度为605℃，分析结果如下：

图2 卡具原始状态热应力分析 (605℃)

根据图2，卡具大部分的热应力分布在1600MPa以下，应力集中的位置主要集中在约束的位置。

由于卡具左右对称，故我们选取单边的3个面，每个面上的平均热应力、最大热应力将作为我们的判断依据。

图3 参考面选取

由于面1的约束少，故热应力小，但位移较大，为释放钎焊卡具的热应力，我们选择在面2和面3增设热应力释放槽，槽宽G=8mm，槽长L=60mm，槽间距D=20mm，初步设定在每个面的中心对称位置，分析结果如下表：

由表1，2知，在增设热应力释放槽后，平均热应力显著降低，但应力集中从约束位置转移到释放槽的根部，较之原始状态，产生更大热应力，对卡具的寿命也是不利的。

表1 平均应力对比表

表2 最大应力对比表

3 热应力释放槽的优化设计

3.1 释放槽槽深、槽宽、槽间距的优化设计

热应力释放槽的尺寸如何定义，才能使平均应力和最大应力得到最佳值。为简化分析，先给出两个条件：（1）热应力释放槽位于面的中心，距离两边约束位置距离相等；（2）仅针对面2增设热应力释放槽进行模拟分析。如图4：

图4 热应力释放槽的尺寸定义

3.1.1 全因子试验设计

尺寸G,D,L分别为槽宽，槽间距，槽深，根据实际加工的可能性，给出 Gmin=4，Gmax=12，Dmin=10，Dmax=30，Lmin=30，Lmax=90,并进行3因素2水平全因子试验设计，随机排序，进行2次重复试验，得16次试验方案，按照运行序进行模拟分析并相应填入“平均应力”和“最大应力”。

3.1.2 结果分析

从图5，6知，G,D对平均应力无显著影响，L对平均应力影响较大，L越大，平均应力越低。G,D对最大应力均有一定影响，G越大，D越小，L越长，最大应力越小。

综合考虑实际加工、平均应力、最大应力三因素，通过等值线图（如图7，8所示），选取G=8，L=90，D=10，设为优化状态2，并应用到整体模型进行模拟分析。

由表4，5得知，在对热应力释放槽进行优化设计后，平均热应力和最大热应力大幅降低。