哈雷钎焊板式换热器
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胀接工艺在换热器制造中的应用情况

点击:2013 日期:[ 2014-04-26 22:21:36 ]
                             胀接工艺在换热器制造中的应用情况                            任国安(大连机务段,辽宁大连116001)   摘要;分析了柴油机用散热器、中冷器和热交换器等换热器的制造工艺。试验表明胀接工艺制造的换热元件具有较高的强度,能满足柴油机发展对换热器提出的可靠性要求。   关键词:柴油机;换热器;胀接工艺   中图分类号;U262.23+1,TK414.2+12   文献标识码:B   长期以来,换热器冷却管与管板、冷却片的连接一直沿用传统的软、硬钎焊连接,但是,随着柴油机热负荷的大幅度提高,使得这种高温钎接制造的换热器,难以满足柴油机不断强化对换热元件性能和可靠性的要求。   在20世纪70年代后,胀接式换热器的开发开始进行。先后开发出了各种内燃机车、船舶和汽车等运输机械用胀接式散热器、中冷器和热交换器等产品,多年的试验和运用实践证明胀接工艺制造的换热器完全能满足柴油机对其提出的可靠性要求。   1 不同钎焊工艺对换热器可靠性的影响   1.1 钎焊工艺   换热器冷却管与管板的连接采用钎焊工艺。对于软钎焊散热器,冷却管和管板之间用浸焊连接;而硬钎焊散热器,冷却管和管板之间用气焊连接。   在汽车行业中,由于柴油机热负荷较低,散热器所受振动亦较小,其散热器普遍采用软钎焊工艺。这种工艺制成的散热器基本上能够满足汽车使用要求。   原先,内燃机车用散热器(或中冷器)普遍采用硬钎焊制造工艺制作,冷却管(圆管、扁管或椭圆管等)与管板采用磷铜锑钎料钎接。由于冷却管管壁较薄(≤1mm),在钎接过程中很容易过烧,从而引起管壁材料的金相组织发生变化,使得钎焊处冷却管的强度下降。同时,冷却管和管板经高温钎接后,由热膨胀产生的热应力将施加在两端固定处,再加上运用中受到振动产生的机械应力的影响,经常出现扁管裂纹,引起散热器泄漏。   据统计,采用硬钎焊工艺制造的中冷器在东风4B型、东风4D型内燃机车的柴油机上,通常只能运用到2a左右的1个架修期。硬钎焊工艺连接的散热器在提速内燃机车上的运用不足1a。因此,采用新的工艺制造换热器,以提高换热元件的可靠性和耐久性,已十分必要。   2.2 钎焊工艺制造的换热器在高温冷却系统中应用状况   试验表明,柴油机在过冷水温(40℃~50℃)状态下运转时,其零部件的磨损,比在一般通常工作水温(80℃~90℃)下,大好几倍。从减少气缸的腐蚀性磨损和提高燃料经济性的来看,柴油机的最佳工作水温应在120℃~140℃之间,在这个温度下运转,不仅能降低机械损失,节约燃料,而且由于冷却水与外界空气温度的温差加大,有利于提高换热器的散热能力。   然而,要保证柴油机在100℃左右的高水温下工作,必须采用加压冷却水系统。这种高温加压冷却水系统,给换热器带来更大的应力,钎焊工艺制造的换热器是显然不能适应的。早期硬钎焊工艺制造的散热器在采用高温加压式冷却水系统中的使用寿命,仅为非高温加压式冷却水系统中使用寿命的1 20。在进口的ND5型内燃机车上,其冷却管与管板间的连接采用了新的方式,见图1。散热器在运用过程中所受的热应力和热冲击,由管板与冷却管间的硅橡胶来缓解,散热器的重量由冷却芯体中的三条加强筋通过侧护板传递到水室上,从而使硅橡胶承受很少的散热器自身重量。                       图1 冷却管与管板的硅橡胶连接   由于高温加压冷却水系统的优点,目前,国内各种机车柴油机均已提高了冷却水温度,如DF4D型机车的16V240ZJD型柴油机的最高水温为98℃;DF8CJ型机车的16V20ZJA型柴油机的最高水温为95℃等。柴油机的强化,换热器势必要采用新的制造工艺。   2 胀接制造工艺   在换热器的胀接工艺中,冷却管与管板的胀接连接方式见图3。冷却管与管板的胀接连接工序为将冷却管插入预先加工好的圆孔内,然后,用机械设备对冷却管端进行扩口,通过控制一定的变形量使其与管板圆孔壁紧密贴合,牢固结合成一体。                      图2 冷却管与管板的胀接连接   柴油机换热器(散热器和中冷器)中的冷却管有圆管和扁管两种,热交换器的冷却管只有圆管。冷却管与散热片组装后,需要先对冷却管两端进行扩圆,然后,将冷却片送入钎焊炉内钎焊,使散热片与冷却管牢固结合,最后,再将芯子两端冷却管插入管板上的圆孔内,用机械设备对冷却管端进行胀接。在圆管胀接式换热器在制造中,冷却管与冷却片也进行胀接,如KLQ系列中冷器和GEAS119、S150型中冷器。   圆管胀接与扁管胀接从工艺上来说,前者简单,不需要扁扩圆和钎焊(因为冷却管与冷却片也采用胀接)两道工序;从结构上来说,散热片可以用铝材替代铜材,从而降低散热器材料成本和散热器重量(如ND5中冷器)。但是,从性能上来说,后者空气阻力要小,在散热能力相同的情况下,冷却风扇消耗的辅助功率也小,从可靠性来说,两者相当。   胀接工艺的主要优点是:①冷却管与管板的连接强度高;②胀接工艺不会使冷却片因钎焊高温的影响而氧化;③胀接工艺不会因冷却管受到高温退火而降低强度;④工艺简单,改善制造环境,提高了生产效率,降低制造成本;⑤可靠性高。   3 胀接工艺制造换热器的试验与应用   3.1 试验检测   为了验证胀接工艺的连接强度,国内一些换热器的研发单位进行了大量的试验研究工作。对6个不同材料的焊接式散热器和胀接式散热器进行了在固有频率下的破坏性振动疲劳试验。在固有频率下胀接式散热器的抗振时间是焊接式散热器的10多倍;对4组不同材料的单冷却管与管孔进行过胀接连接后的拉力试验,最大拉力达到7.4kN时,铜管被拉断,而冷却管与管板胀接部分没有脱落;对胀结工艺制造的中冷器试件进行了疲劳试验,胀接式散热器的耐振动强度明显高于焊接式散热器,究其原因主要是胀接式散热器的冷却管本身材料性能的没有降低,冷却管与管板间的连接强度大。   3.2 运用考核   各种内燃机车柴油机用胀接式散热器、中冷器和热交换器均已进行了装车运用考核。DF7型机车12V240ZJ型柴油机首先装用了圆管胀接式中冷器,经过一个架修期的运用,未发生任何故障。后又继续装了数百台之多。不久,这种圆管胀接式中冷器相继在16V240ZJC型、16V280ZJ型等柴油机上进行运用考核。   扁管扩圆胀接式中冷器已先后在12V240ZJ型、16V240ZJC型、16V240ZJD型和16V280ZJA型等柴油机上通过了运用30万km左右的性能和可靠性考核,均无泄漏,且性能比原中冷器高。之后,采用胀接工艺研制的普通型散热器、双流道散热器和干式散热器,又先后在DF4D、DF8B、DF8及DF8BCJ等型机车上装用,取得了满意的效果。■(编辑:高心海)
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