李愷鋒,楊鑫宇,王家喜

（貴州永紅換熱冷卻技術(shù)有限公司,貴州 惠水 550600）

1 序言

鋁板翅式換熱器真空釬焊所使用的卡具多為不銹鋼彈簧卡具，由于釬焊溫度高達(dá)600℃，釬焊時(shí)間較長(zhǎng)，卡具的尺寸將因溫度變化而伸縮。在多個(gè)彈簧作用力的約束下，卡具不能自由伸縮，故將會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生大小不一的熱應(yīng)力，導(dǎo)致卡具產(chǎn)生翹曲變形。

圖1 產(chǎn)品裝卡照片 (360～400℃)

圖1所示產(chǎn)品為換熱器及卡具釬焊后出爐后的照片，從圖片中可見產(chǎn)品側(cè)板面距卡具下表面存在大約3～5mm的縫隙，此時(shí)產(chǎn)品連同卡具溫度約360～400℃，而實(shí)際釬焊過程中控制溫度達(dá)600℃以上，可知卡具翹曲將更為嚴(yán)重。

2 現(xiàn)有卡具的熱應(yīng)力釋放分析

以某鋁板翅式換熱器產(chǎn)品的釬焊卡具為例進(jìn)行模擬分析，卡具材料的物性參數(shù)設(shè)置為：ANSI 304；彈性模量：190 GPa；泊松比：0.29；屈服強(qiáng)度：206.81 MPa；熱膨脹系數(shù)：1.8 e-5 /K；熱導(dǎo)率：16 W/(m*K)；比熱：500 J/(kg*K)。

對(duì)構(gòu)件進(jìn)行分析，將現(xiàn)實(shí)中的壓板面設(shè)置為“固定”，構(gòu)件溫度為605℃，分析結(jié)果如下：

圖2 卡具原始狀態(tài)熱應(yīng)力分析 (605℃)

根據(jù)圖2，卡具大部分的熱應(yīng)力分布在1600MPa以下，應(yīng)力集中的位置主要集中在約束的位置。

由于卡具左右對(duì)稱，故我們選取單邊的3個(gè)面，每個(gè)面上的平均熱應(yīng)力、最大熱應(yīng)力將作為我們的判斷依據(jù)。

圖3 參考面選取

由于面1的約束少，故熱應(yīng)力小，但位移較大，為釋放釬焊卡具的熱應(yīng)力，我們選擇在面2和面3增設(shè)熱應(yīng)力釋放槽，槽寬G=8mm，槽長(zhǎng)L=60mm，槽間距D=20mm，初步設(shè)定在每個(gè)面的中心對(duì)稱位置，分析結(jié)果如下表：

由表1，2知，在增設(shè)熱應(yīng)力釋放槽后，平均熱應(yīng)力顯著降低，但應(yīng)力集中從約束位置轉(zhuǎn)移到釋放槽的根部，較之原始狀態(tài)，產(chǎn)生更大熱應(yīng)力，對(duì)卡具的壽命也是不利的。

表1 平均應(yīng)力對(duì)比表

表2 最大應(yīng)力對(duì)比表

3 熱應(yīng)力釋放槽的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 釋放槽槽深、槽寬、槽間距的優(yōu)化設(shè)計(jì)

熱應(yīng)力釋放槽的尺寸如何定義，才能使平均應(yīng)力和最大應(yīng)力得到最佳值。為簡(jiǎn)化分析，先給出兩個(gè)條件：（1）熱應(yīng)力釋放槽位于面的中心，距離兩邊約束位置距離相等；（2）僅針對(duì)面2增設(shè)熱應(yīng)力釋放槽進(jìn)行模擬分析。如圖4：

圖4 熱應(yīng)力釋放槽的尺寸定義

3.1.1 全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)

尺寸G,D,L分別為槽寬，槽間距，槽深，根據(jù)實(shí)際加工的可能性，給出 Gmin=4，Gmax=12，Dmin=10，Dmax=30，Lmin=30，Lmax=90,并 進(jìn)行3因素2水平全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)，隨機(jī)排序，進(jìn)行2次重復(fù)試驗(yàn)，得16次試驗(yàn)方案，按照運(yùn)行序進(jìn)行模擬分析并相應(yīng)填入“平均應(yīng)力”和“最大應(yīng)力”。

3.1.2 結(jié)果分析

從圖5，6知，G,D對(duì)平均應(yīng)力無顯著影響，L對(duì)平均應(yīng)力影響較大，L越大，平均應(yīng)力越低。G,D對(duì)最大應(yīng)力均有一定影響，G越大，D越小，L越長(zhǎng)，最大應(yīng)力越小。

綜合考慮實(shí)際加工、平均應(yīng)力、最大應(yīng)力三因素，通過等值線圖（如圖7，8所示），選取G=8，L=90，D=10，設(shè)為優(yōu)化狀態(tài)2，并應(yīng)用到整體模型進(jìn)行模擬分析。

由表4，5得知，在對(duì)熱應(yīng)力釋放槽進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，平均熱應(yīng)力和最大熱應(yīng)力大幅降低。

4 結(jié)論

（1）真空釬焊彈簧卡具反復(fù)使用，熱應(yīng)力得不到有效釋放將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致釬焊后卡具變形，影響卡具使用壽命和產(chǎn)品的釬焊質(zhì)量，增設(shè)熱應(yīng)力釋放槽有助于解決這一問題。

表3 全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖5 平均應(yīng)力主效應(yīng)圖

圖6 最大應(yīng)力主效應(yīng)圖

（2）結(jié)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法與軟件模擬分析，經(jīng)過對(duì)多個(gè)模擬分析結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析論證，可以快捷準(zhǔn)確的得到我們的最佳設(shè)計(jì)方案，此方法可以推廣應(yīng)用到新翅片、工裝、產(chǎn)品等全新設(shè)計(jì)工作中。

圖7 平均應(yīng)力等值線圖

圖8 最大應(yīng)力等值線圖

圖9 優(yōu)化狀態(tài)2熱應(yīng)力分析

表4 平均應(yīng)力對(duì)比表

表5 最大應(yīng)力對(duì)比表

[1]楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].高等教育出版社,2007.

[2]劉寶興.工程熱力學(xué)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[3]閔亞能.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)DOE應(yīng)用指南[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2011.