換熱器真空釬焊卡具的熱應力實驗設計分析

李愷鋒,楊鑫宇,王家喜

（貴州永紅換熱冷卻技術有限公司,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600℃，釬焊時間較長，卡具的尺寸將因溫度變化而伸縮。在多個彈簧作用力的約束下，卡具不能自由伸縮，故將會在其內部產生大小不一的熱應力，導致卡具產生翹曲變形。

圖1 產品裝卡照片 (360～400℃)

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

2 現有卡具的熱應力釋放分析

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

對構件進行分析，將現實中的壓板面設置為“固定”，構件溫度為605℃，分析結果如下：

圖2 卡具原始狀態熱應力分析 (605℃)

根據圖2，卡具大部分的熱應力分布在1600MPa以下，應力集中的位置主要集中在約束的位置。

由于卡具左右對稱，故我們選取單邊的3個面，每個面上的平均熱應力、最大熱應力將作為我們的判斷依據。

圖3 參考面選取

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

由表1，2知，在增設熱應力釋放槽后，平均熱應力顯著降低，但應力集中從約束位置轉移到釋放槽的根部，較之原始狀態，產生更大熱應力，對卡具的壽命也是不利的。

表1 平均應力對比表

表2 最大應力對比表

3 熱應力釋放槽的優化設計

3.1 釋放槽槽深、槽寬、槽間距的優化設計

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

圖4 熱應力釋放槽的尺寸定義

3.1.1 全因子試驗設計

尺寸G,D,L分別為槽寬，槽間距，槽深，根據實際加工的可能性，給出 Gmin=4，Gmax=12，Dmin=10，Dmax=30，Lmin=30，Lmax=90,并 進行3因素2水平全因子試驗設計，隨機排序，進行2次重復試驗，得16次試驗方案，按照運行序進行模擬分析并相應填入“平均應力”和“最大應力”。

3.1.2 結果分析

從圖5，6知，G,D對平均應力無顯著影響，L對平均應力影響較大，L越大，平均應力越低。G,D對最大應力均有一定影響，G越大，D越小，L越長，最大應力越小。

綜合考慮實際加工、平均應力、最大應力三因素，通過等值線圖（如圖7，8所示），選取G=8，L=90，D=10，設為優化狀態2，并應用到整體模型進行模擬分析。

由表4，5得知，在對熱應力釋放槽進行優化設計后，平均熱應力和最大熱應力大幅降低。

4 結論

（1）真空釬焊彈簧卡具反復使用，熱應力得不到有效釋放將產生較大的熱應力，導致釬焊后卡具變形，影響卡具使用壽命和產品的釬焊質量，增設熱應力釋放槽有助于解決這一問題。

表3 全因子試驗設計

圖5 平均應力主效應圖

圖6 最大應力主效應圖

（2）結合試驗設計方法與軟件模擬分析，經過對多個模擬分析結果的統計分析論證，可以快捷準確的得到我們的最佳設計方案，此方法可以推廣應用到新翅片、工裝、產品等全新設計工作中。

圖7 平均應力等值線圖

圖8 最大應力等值線圖

圖9 優化狀態2熱應力分析

表4 平均應力對比表

表5 最大應力對比表

[1]楊世銘,陶文銓.傳熱學[M].高等教育出版社,2007.

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