SE533223C2 - Metod för formning av header-tank tillverkad i aluminium - Google Patents

Description

En LC! in? fi; L t? 2 Tillverkning av plastbehållare genom insprutning av plastmassan i en form är en relativt långsam och kostsam process som kräver stora investerlngari maskiner, verktyg och processkontroll. Header-tanken i en värmeväxlare har flera funktioner och produceras därför med färdiga fastsättningsanordningar och förberedd för enkelt montage av exempelvis inbyggda oljekylare och sensorutrustning. Eftersom plastmaterial inte är lika rigida som aluminium måste tankens väggar vara tjocka, och för att få tillräckligt bra vridhållfasthet förses de dessutom med inbyggda externa förstärkningar. Hela header-tanken blir sålunda tung trots att den är tillverkad i ett material med låg densitet. Man kan också öka hållfastheten väsentligt genom att istället använda s.k. whiskers (enkristallina fibrer) eller annan typ av fiberförstärkning men det medför en betydande kostnadsökning.

När det gäller CAC är plastmaterial inte att rekommendera eftersom drifttemperaturerna kan bli så höga att plastmaterial förlorar alltför mycket hållfasthet för att fungera rent praktiskt. idag är behàllarna därför vanligen gjorda av aluminium. Oftast gjuts dessa i en form, vilket normalt medför att väggarna i behållarna inte kan vara tunnare än 1,5 mm, vilket i sin tur medför att värmeväxlama blir tunga. Det är inte heller alldeles enkelt att krympa på en gjuten header-tank vid värmeväxlarens toppdel; oftast används svetsmetoder som MlG eller TlG. Sådana header-tankar och sammanfognlngsmetoder ger normalt en mycket hållfast produkt. Men svetsning är kostsamt och tidskrävande och resultatet blir en tung värmeväxlare, framför allt på grund av att header-tanken har mycket tjocka väggar vid svetsstället; plattan i toppdelen måste också vara tjock för att man ska kunna åstadkomma en lyckad svetsfog.

Det finns alltså behov av en effektiv och smidig metod för tillverkning av header-tankar.

Sammanfattning Föreliggande uppfinning hänför sig till header-tankar tillverkade av AA3XXX aluminiumlegeringar.

Den grupp av legeringar som normalt används för värmeväxlarens header-tank, nämligen AA3XXX, är besvärlig att forma så som man önskar med de metoder som hittills varit vanligast vid tillverkningen. Vid gjutning och valsning har dessa legeringar inte den formbarhet som erfordras för avancerad utformning av en header-tank vid rumstemperatur.

Ett förlängningsvärde till brott på över 20 % erfordras utan undantag för att lyckas med forrnningen och få en god kvalitet. För att med nuvarande tillverkningsprocesser få så god formbarhet måste kärnlegeringen l den hårdlodpläterade plåten genomgå en homogeniseringsprocess vid hög temperatur. Homogeniseringen resulterar i en mikrostruktur som efter varm- och kallvalsning samt mjukglödgning ger ökad formbarhet, dock under förutsättning att dessa processer utförs på ett korrekt sätt.

Under homogeniseringen skiljs det mesta av manganet i legeringen ut och bildar dispersoidpartiklar, varvid en del av den hållfasthetspotential som manganet bidrar med i fasta lösningar går förlorad. Korrosionsmotståndet för AA3XXX-legeringarna kan också påverkas negativt av homogeniseringen. Homogenisering och mjukglödgning medför dessutom ökade materialkostnader jämfört med om det bara erfordras förvärmning före varmvalsningen. Legeringar avsedda för värmeväxlarens header-tank bör därför inte utsättas för homogenisering eller varmglödgning.

För att få ett material som i leveranstillstånd har högt förlängningsvärde levereras idag materialet i helmjukt tillstånd eller ibland i H112-tillstånd. dvs. glödgat tillstànd. Detta ökar också materialkostnaden för värmeväxlarmaterialet. Genom att tillverka värmeväxlarens header-tank enligt föreliggande uppfinning undviker man homogenisering av rörlegeringarna, och därmed möjliggörs god formbarhet av rör tillverkade av icke homogeniserade aluminiumlegeringar. Mjukglödgning av rörämnet innan formningen behövs inte heller, vilket gör metoden ytterligare kostnadseffektiv. 2233 3 Föreliggande uppfinning erbjuder en metod för tillverkning av värmeväxlarens header-tank som även innefattar tillverkningen av rör l en kärnlegering av AA3XXX; eventuellt med förvärmning av röret; placering av röret i ett formverktyg vars kavitet har formen av en header-tank för värmeväxlare; tillslutning av rörändar; uppvärmning av röret till formningstemperaturen i de fall röret inte förvärmts tillräckligt, samt invändig trycksättning av röret med hjälp av gas till dess att det antagit samma form som verktygets kavitet, dvs produktens slutgiltiga form; uttagning av header-tanken ur verktyget; samt nedkylning. Denna metod erbjuder en effektiv tillverkningsmetod för värmeväxlarens header-tank tillverkade i AA3XXX-aluminiumiegeringar.

Genom att använda ett icke homogeniserat rörmaterial kan både korrosionsegenskaper och mekaniska egenskaper förbättras. Genom att undvika glödgning i rörproduktionen reduceras såväl kostnader som miljöpåverkan.

Kämlegeringen i röret kan vara pläterad med minst en aluminiumlegering för att förbättra dess lödbarhet. Hål för rör eller röranslutningar kan göras i efterhand för att förenkla tillverkningen av värmeväxlaren.

Gastrycket under formningsprocessen bör helst vara högre än 85 bar för att få effektiv anliggning av röret mot formningsverktygets innerväggar.

Man kan också applicera ett axiellt tryck vid rörändarna vid formningen av dessa, för att på så sätt mata materialet in ifomwerktyget under processen.

För att underlätta hopmonteringen av värmeväxlaren kan anslutningar, gängor eller förankringspunkter på rörändar formas samtidigt med formningen av själva röränden.

Beroende på utformning och aluminiummaterialets tjocklek kan tryck över 200 bar ibland erfordras.

Det rör som ska formas till en header-tank kan vara gjort av ett valsat material i en aluminiumlegering som svetsats ihop till ett rör.

Alternativt kan röret vara tillverkat av en strängpressad aluminiumlegering.

Föreliggande uppfinning inkluderar också en header-tank för värmeväxlare tillverkad med ovan beskrivna metod för hetgasformning.

Föreliggande uppfinning inkluderar också värmeväxlare med header-tank i andra former än rektangulära.

Föreliggande uppfinning inkluderar också en metod för tillverkning av värmeväxlare där header-tanken är ansluten till en mängd rör och korrugerade rankor som är placerade mellan rören, inklusive åtföljande hoplödning av rankor och rör.

Tack vare hetgasformningen kan en header-tank för värmeväxlare tillverkad i en AA3XXX-legering konstrueras med sà gott som vilken form som helst.

En header-tank för värmeväxlare tillverkad enligt uppfinningen har låg vikt och kan optimeras till en låg kostnad jämfört med kostnaderna för konkurrerande teknologi.

Materialåtervinningen förenklas i och med att plastbehållare inte används. Toppdelens genomskärningsgeometri kan varieras mera än med konkurrerande formningstekniker för aluminiummaterial, exempelvis hydroformning eller djupdragning.

Hållfasthetsprovningar har visat att formbarheten ökar drastiskt om formningstemperaturen höjs, vilket betyder att förlängningsvärdet till brott kan ökas till mer än 100 % om temperaturen höjs till 400°C, jämfört med 20-30 % vid rumstemperatur.

Header-tankar tillverkade enligt föreliggande uppfinning behöver inte vara rektangulära - oregelbundna former är lika tänkbara. Flexibiliteten är stor vad gäller utformningen, särskilt för de icke-rektangulära värmeväxlarna.

Header-tankar tillverkade enligt föreliggande uppfinning erbjuder extremt hög materialelasticitet, mycket högre än vid de hydroformnings- eller djupdragningstekniker som används idag. 'råbš om n: 4 Header-tankar tillverkade enligt föreliggande uppfinning bidrar till lönsammare produktion av värmeväxlare formade så att biltillverkarna kan utnyttja motorutrymmet effektivare, samtidigt som man öppnar upp för nya möjligheter att optimera värmeväxlarprestanda.

Material med högre hållfasthet och bättre korrosionsprestanda än tidigare kan användas för header-tankarna om de tillverkas enligt föreliggande uppfinning, och materialen kan dessutom framställas med miljövänligare metoder och färre termomekaniska processer än med konkurrerande teknologi.

RITNINGAR Utföringsformer för föreliggande uppfinning beskrivs i detalj nedan samt i åtföljande ritningar. Utföringsformer för uppfinningen illustreras med hjälp av exempel men begränsas inte på något sätt av figurerna i åtföljande ritningar.

FlG. 1 visar en header-tank utformad i enlighet med en utföringsform i föreliggande uppfinning.

FIG. 2 visar header-tanken i figur 1, roterad 90”.

FlG. 3 visar ett urval av rörtvärsnitt för header-tankar tillverkade enligt föreliggande uppfinning.

FlG.4 visar en schematisk ritning av en icke rektangulär värmeväxlare innefattande en header-tank tillverkad enligt föreliggande uppfinning.

FlG. 5 visar en sidovy av en vårmeväxlare tillverkad i enlighet med uppfinningen där header-tanken är böjd över sin längsgående axel.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen Enligt föreliggande uppfinning omfattar tillverkningen av header-tank en följande steg: i) produktion av hàrdlodpläterad plåt i enlighet med gällande industripraxis, ii) svetsning och eventuell bockning av rör tillverkade av hàrdlodpläterad plåt, iii) hetgasformning av röret i ett verktyg utformat i enlighet med önskad behàllarprodukt, iv) hàltagning för rör samt röranslutningar till resten av värmeväxlarsystemet.

En hàrdlodpläterad plàt består av ett kärnmaterial som kan pläteras pà den ena eller båda sidorna. För kärnmaterialet väljs material ur AA3XXX-serien med smälttemperaturer över 610°C, t ex AA3003 eller AA3005. Lodpläteringen väljs normalt bland AA4XXX-legeringarna, dvs undereutektiska legeringar med låg smältpunkt, t ex: AA4343 och AA4045.

Dessutom kan den ena eller båda sidor pläteras med mer än ett material, s.k. flerlagersplätering. Särskilt för band för radiatorer och värmare, men också för andra typer av värmeväxlare, gäller dessutom att pläteringen kan vara gjord av ett material som är elektrokemiskt balanserat och offeranodiskt i förhållande till kärnan i korrosiva omgivningar. Kârnmaterialet kan alltså vara pläterat på en eller båda sidor eller inte alls.

Pläteringen kan vara enkel eller dubbel på den ena eller båda sidor och bestå av lodmaterial med låg smältpunkt eller av ett offeranodiskt material, pläteringen kan också vara placerad mellan lod och kärna för att reducera interaktionen mellan lod-kärna genom exempelvis diffusion.

Pläteringen appliceras genom varmvalsning åtföljd av kallvalsning och erforderliga värmebehandlingar för att få korrekt mellan- och sluttillstånd innan stansning till rätt bredd. Produkter tillverkade av hårdlodpläterad plåt kan lödas antingen med lödning i kontrollerad atmosfär eller med vacuumlödning.

Enligt föreliggande uppfinning är en av mellanprodukterna i tillverkningen av header- tanken ett rör. Rör av hårdlodpläterad plåt, med eller utan beläggning, mäste svetsas ihop. Svetsmetod är antingen induktionssvetsning, MIG, TlG, friktionssvetsning eller annan lämplig svetsmetod.

Rörets tvärsnitt kan vara cirkulärt, elliptiskt, kvadratiskt, rektangulärt, triangulärt eller något annat lämpligt symmetriskt eller osymmetriskt tvärsnitt. Röret kan vara tillverkat med konstanta eller varierande tvärsnitt och dimensioner längs hela rörlängden, allt efter kundens önskemål. Det är dock tillrådligt, om än inte alltid nödvändigt, att välja ett tvärsnitt som inte medför alltför överdrivna deformationskrav längre fram i tillverkningsprocessen. Och om röret är svetsat på ett sådant sätt att tvärsnittet är konstant längs hela dess längd så är materialets hàllfasthet i teorin 100 % vid svetsningsprocessen och åtföljande sågning till rätt längder. värmeväxlare för bilindustrin är normalt rektangulära. Därför finns det ytterst få positioner i en bil där en värmeväxlare kan placeras. En rund, böjd eller trappformad, eller till och med oregelbundet formad värmeväxlare skulle ibland vara idealiskt för montage på tillgängligt motorutrymme om man samtidigt vill optimera värmeväxlarens prestanda.

Det bästa alternativet kan i många fall vara en värmeväxlare med en form som anpassats antingen till tillgängligt utrymme i bilen eller till önskat flödesmönster. För en sådan värmeväxlare erfordras en skräddarsydd header-tank. Metoden i föreliggande uppfinning möjliggör fri tredimensionell utformning av header-tanken. Tånkbara former är exempelvis ringformad, S-formad, L-forrnad eller C-formad. Header-tank en kan vara böjd längs sin längsgående axel och/eller tvärs över sin längdaxel. Vätskerören monteras i linje längs header-tankens hela längd, vilket betyder att hela värmeväxlaren får samma tvärsnitt som header-tanken.

Det kan alltså finnas behov av icke rektangulära, exempelvis cirkelformade, värmeväxlare för att underlätta montage i tillgängligt motorutrymme, eller för att förbättra värmeväxlarens prestanda eller helt enkelt för att kundanpassa en produkt. Behovet kan tillgodoses genom bockning av det svetsade röret i hårdlodpläterad plåt till en lämplig krökningsradie. Alternativt behövs en S-formad, trapetsoid, eller oregelbundet formad header-tank.

När en bockad eller böjd toppdel ska tillverkas kan röret förbockas till lämplig form redan innan hetgasfommingen. Lämplig bockningsmetod för formen ifråga väljs. Bockningen kan ske antingen vid omgivningsemperatur eller vid förhöjd temperatur, beroende på vad som anses bäst.

Röret- svetsat och bockat i enlighet med kundens önskemål - kan upphettas på lämpligt sätt, exempelvis i ugn, med öppen låga eller induktion eller genom att använda ett upphettat verktyg. induktion och öppen låga har den fördelen att värmen kan appliceras på delar av röret. Det kan vara att föredra om man vill variera de mekaniska egenskaperna på olika delar, eftersom det är väl känt att materialets temperatur har en avgörande betydelse för egenskaper som sträckgräns, brotthållfasthet, förlängningsvärde till brott och formbarhet. Beroende på legeringstyp, anlöpning, plàttjocklek och erforderlig deformation kan formningstemperaturen variera mellan 250°C och 550°C.

Röret placeras i ett formningsverktyg vars kavitet motsvarar slutproduktens/header- tankens yttergeometri. Verktyget kan vara kallt (dvs rumstemperatur) men då måste röret vara förvärmt; helst bör dock verktyget förvärmas till lämplig temperatur, antingen före eller under formningen. Verktyg och rörtemperatur väljs baserat på rörmaterialets mekaniska egenskaper och formbarhet samt header-tankens slutliga form.

Pill lllilfl 2 6 Därefter tillsluts rörändarna och röret ansluts till ett högtrycksgassystem. Under formningen är temperaturen i röret mellan 250°C och 550°C. Uppvärmningen till formningstemperaturen sker antingen genom förvärmning av röret till önskad temperatur innan det placeras i formningsverktyget, eller genom förvärmning av formningsverktyget innan röret placeras däri, eller genom upphettning av verktyget under formning, t ex genom induktion. Gastrycket inuti röret höjs, och i och med det ökande trycket sker en deformering av röret. Trycket ökas fram till dess att rörets ytor ligger an mot verktygets ytor. Slutligt tryck och gastryckets ökningsgrad bestäms bland annat av rörlegeringens mekaniska egenskaper, rörens väggtjocklek, header-tankens slutliga form och hur mycket deformering som är nödvändig.

Efter avslutad formning kan den trycksatta gasen släppas ut och den färdigformade produkten tas ur verktyget. Luft, kväve, inerta gaser eller andra lämpliga gassubstanser kan användas. Trycket under formningen är ganska lågt, mycket lägre än de tryck som används t ex vid hydroformning. En övre tryckgräns på 250 bar bör räcka för önskad formning av aluminiumlegeringar. Tack vare det låga trycket under formnlngsprocessen kan formningsverktygen vid produktion av header-tankar i enlighet med föreliggande uppfinning vara av helt andra material än de som används vid dagens forrnningsmetoder. Efter avslutad formning kan produkten kylas antingen i luften eller genom härdning i vatten. lnmatning av material in i verktyget kan också ske genom att applicera axiellt tryck vid rörändarna under formningsprocessen. Detta kan minska variationen i rörens väggtjocklek efter formning eller för att undvika rörbrott vid extremt varierande rörforrner där stora lokala deformationer erfordras, exempelvis intill ett hörn eller en skarp böjningsradie.

För att undvika att röret fastnar på verktygsytorna bör man ibland antingen applicera ett medel som gör att röret lossnar lättare eller använda ett högtemperatursmörjmedel.

Medlet kan appliceras antingen på rörytorna eller på verktygets ytor, antingen före formningen av varje nytt rör eller i form av en beläggning som inte behöver förnyas lika ofta.

Hål för montage av rör och anslutningar samt fastsättningsanordningar kan produceras på flera sätt. Hål kan stansas på den färdiga produkten efter hetgasprocessen, antingen pä en produkt åt gången eller på flera eller alla produkter vid en enda stansning. Hålen eller spåren på den färdiga hetgasformade produkten kan också borras eller fräsas eller göras med någon annan lämplig metod. Alternativt kan hålen stansas under den senare delen av hetgasformningen, så snart den slutgiltiga formen erhållits. Hetgastrycket underlättar då stansningen och minskar risken att produkten spricker vid stansningen.

Fastsättningsanordningar kan fästas pä den färdiga produkten efter hetgasprocessen på lämpligt sätt, exempelvis nitning, lödning, svetsning eller limning. Val av metod beror på kundens önskemål, vad det får kosta, prestanda och om montage av fastsättningsanordningar ska ske före eller efter lödning. Vid formningen kan header- tanken förses med skåror för att underlätta senare utstansning, se exempel i Fig. 2.

För att gasen ska kunna komma in i röret under formningsprocessen finns det i åtminstone den ena av de tvá tillslutna rörändarna en öppning som är ansluten till tryckgassystemet. innan tanken används i en värmeväxlarapplikation måste denna öppning förslutas. Detta kan göras på flera sätt, t ex med de in- eller utgående anslutningarna för värmeväxlarmediet (i gas- eller vätskeform), eller med ett lock som löds, svetsas eller limmas fast, eller sätts fast på annat lämpligt sätt. Altermativt kan röränden klämmas ihop och eventuella kvarvarande fickor och öppningar tätas med lämpligt metall- eller polymermaterial så att läckage förhindras. Sådana tätningsmaterial appliceras pä lämpligt sätt.

För att underlätta anslutningen av rör eller slangar kan man också gänga röränden så att anslutningsrör kan skruvas dit. Alternativt kan man göra fästpunkter vid vilka slangar kan fästas med slangklämmor. 1.31 tå M m m 7 Beskrivning av föredragen utföringsform För att ge en bättre uppfattning av uppfinningen ges här ett exempel på hur uppfinningen kan verkställas.

En aluminiumplàt med en tjocklek av 3 mm, legering AA3003 plâterad med AA4343, svetsas till ett rör med en diameter av 40 mm. Röret förbockas till en form enligt figur Y och placeras i ett verktyg med liknande form som är förvärmt till 500°C. Verktyget har smörjts med ett fast smörjmedel som klarar formningstemperaturen utan att lösas upp.

Rörets ändar försluts och en kraft applicerad av hydrauliska cylindrar ska förhindra att de två verktygsdelarna faller isär. En gas strömmar in i röret genom en av rörförseglingarna och trycket ökas fràn 0 till 200 bar. Trycket minskas efter några sekunder pá maximalt tryck, det formade röret lyfts ur verktyget och kyls av med vattenbesprutning. HàllSpàr stansas pâ anslutningsställena.

Röret har nu antagit den slutliga formen av en header-tank med förborrade hål och utbuktningar. Vänneväxlarrankor och kylmedelrör kan nu monteras och lödas fast och därmed är värmeväxlaren färdig.

Claims (1)

1. f-fïf MJ i' \ NI till! "ff Patentkrav 1. a) 9) h) 10. 11. 12. Metod för tillverkning av en header-tank för en värmeväxlare innefattande följande steg: framställning av ett rörämne i en valsad aluminiumlegering med en kärna av en AABXXX-aluminiumlegering, där sagda kärna har minst en beläggning av ett aluminiumhàrdlod; svetsning av sagda rörämne till ett rör; eventuell förvärmning av röret; placering av röret i ett formverktyg med en kavltet formad som den slutliga header- tanken; tillslutning av rörändarna; uppvärmning av röret till önskad formningstemperatur i de fall då röret inte har förvärmts tillräckligt, samt invändig trycksättning av röret med gas tills det antagit samma form som verktyget, dvs den slutliga header-tanken är formad; uttagning av header-tanken ur verktyget; nedkylning av header-tanken. Metod för tillverkning av header-tank för värmeväxlare i enlighet med patentkrav 1 utan homogenisering av rörmaterialet, Metod för tillverkning av header-tank för värmeväxlare i enlighet med patentkrav 1 eller 2 utan glödgning av rörrnaterialet. Metod för tillverkning av header-tank för värmeväxlare i enlighet med patentkrav 2 där rörets kärna har minst en beläggning bestående av en aluminiumlegering. Metod för tillverkning av header-tank för värmeväxlare i enlighet med något av ovanstående patentkrav, där hål för rör och anslutningar förberetts på den färdigformade produkten, antingen under själva formningsprocessen eller efter denna. Metod för tillverkning av header-tank för värmeväxlare i enlighet med något av ovanstående patentkrav med ett gastryck överstigande 85 bar. Metod för tillverkning av header-tank för värmeväxlare i enlighet med något av ovanstående patentkrav, där ett axiellt tryck appliceras vid rörändarna vid formningen av dessa. Metod för tillverkning av header-tank för värmeväxlare i enlighet med något av ovanstående patentkrav, där gängor och fästpunkter formas vid rörändar samtidigt som rörändarna formas. En Iödbar header-tank med en kärna av en AA3XXX-aluminiumlegering, där sagda kärna är försedd med minst en beläggning av en aluminiumhàrdlod-legering som formats i enlighet med patentkrav 1-8. värmeväxlare innefattande header-tank enligt patentkrav 9. Värmeväxlare enligt patentkrav 10 som inte är rektangulär. Metod för framställning av värmeväxlare innefattande följande steg: framställning av header-tank enligt den metod som beskrivs i patentkrav 1-11 med öppningsanslutningar för kylmedelrör i header-tanken anslutning av en mängd kylmedelrör till header-tanken vid därför avsedda öppningar montage av rankor mellan rören SfE-få 223 sammanlödníng av rankor och rör