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      經(jīng)激光焊接的熱交換器管組件的制作方法

      文檔序號:4520560閱讀:185來源:國知局
      專利名稱:經(jīng)激光焊接的熱交換器管組件的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及熱交換器管組件,更具體地涉及經(jīng)激光焊接的不銹鋼熱交 換器管組件。
      背景技術(shù)
      建筑和推土設(shè)備及許多其它類型的機(jī)械通常廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用領(lǐng) 域。通常這種機(jī)械由內(nèi)燃機(jī)提供動力。為了使機(jī)械性能最優(yōu)化,內(nèi)燃機(jī)應(yīng) 盡可能高效率地工作。已經(jīng)開發(fā)出多種提高內(nèi)燃機(jī)效率的方法。其中的一種方法是在內(nèi)燃機(jī)中結(jié)合渦輪增壓器。該渦輪增壓器可在空氣^內(nèi)燃機(jī) 進(jìn)氣口或燃燒室之前對空氣進(jìn)行壓縮。向內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣口供應(yīng)壓縮空氣(增 壓空氣)可使燃燒更加完全,從而降低排放、改善性能并提高內(nèi)燃機(jī)效率。 但是,對空氣進(jìn)行壓縮還可能造成進(jìn)氣口空氣溫度升高。向內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣口 供應(yīng)這種熱增壓空氣會導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)排放量不希望地增加。同時(shí),由于內(nèi)燃 機(jī)通常已經(jīng)產(chǎn)生大量的熱量,向內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣口或燃燒室添加熱增壓空氣會 提高內(nèi)燃機(jī)的工作溫度,從而導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)部件的過度磨損。可利用空氣-空氣后冷卻器(ATAAC)通過在增壓空氣進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)進(jìn) 氣歧管之前對空氣進(jìn)行冷卻來減少煙氣及其它內(nèi)燃機(jī)排放物。使用 ATAAC還可降低燃燒溫度,從而通過減小內(nèi)燃機(jī)上的熱應(yīng)力而延長內(nèi)燃 機(jī)部件的壽命。所述ATAAC可包括熱增壓空氣可從其中通過的一個(gè)或多個(gè)管。該管 外側(cè)可置于對該管進(jìn)行冷卻的某種流體例如環(huán)境空氣中。熱增壓空氣在通 過該管時(shí)與管壁接觸。熱量可從增壓空氣傳遞至管壁,然后從管壁傳遞到 環(huán)境空氣中,從而將熱量從增壓空氣中除去??上蚬鼙诘耐獗砻嬖鎏硗獬?br> 片以增大表面積,從而改善熱增壓空氣和環(huán)境空氣之間的熱傳遞。在一些傳統(tǒng)的熱交換系統(tǒng)中,ATAAC部件可完全由相同的材料制成。 通常選擇的一種材料包括具有所期望的傳熱性質(zhì)的鋁部件。作為示例,這 些部件可包括管路、翅片、集管組件或歧管。但是,這種鋁部件在工作環(huán) 境中易被腐蝕,從而導(dǎo)致ATAAC的工作期限縮短,或需要額外的費(fèi)用和/ 或停工時(shí)間以對ATAAC的故障部件進(jìn)行維修。授予Kiser等人的美國專利NO. 5,730,213 (以下稱"Kiser"專利)公 開了 一種具有鋁制冷卻管的熱交換器,該冷卻管包括多個(gè)伸入管內(nèi)表面的 擾流波紋件(agitating dimple)。這些鋁制冷卻管在與各自的集管箱板相 對的管端通過接合連接密封。在平行的鋁制冷卻管之間布置鋁翅片以增強(qiáng) 鋁管的傳熱性能。盡管Kiser專利中的熱交換器可以冷卻熱氣體,但是,該熱交換器的 設(shè)計(jì)利用了鋁制冷卻管,從而易于被流過該冷卻管的氣體腐蝕。特別地, 流過該冷卻管的氣體中的腐蝕性成分可對該冷卻管的壁和接合部進(jìn)行腐 蝕,從而導(dǎo)致不希望的空氣泄漏。這種空氣泄漏會對熱交換器的冷卻能力 和結(jié)構(gòu)整體性帶來不利影響。此外,這種泄漏還會對與該熱交換器流體連 通的任何其它系統(tǒng)例如廢氣再循環(huán)系統(tǒng)或發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)帶來不利影響。本發(fā)明的目的是克服上述問題中的一個(gè)或多個(gè)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明一方面提供一種用于熱交換器的管組件。該管組件包括第一 U 形不銹鋼管裝配部件和第二U形不銹鋼管裝配部件。此外,該管組件還包 括將第一和第二 u形管裝配部件聯(lián)接在一起的至少一個(gè)激光焊接接合部。 該至少 一個(gè)激光焊接接合部包括基本沿該管組件的整個(gè)長度延伸的焊縫。本發(fā)明的另一方面提供一種制造用于熱交換器的管組件的方法。該方 法包括將第一裝配部件成形為U形和將第二裝配部件成形為U形。該方法 還包括將該第 一和第二裝配部件相結(jié)合以使第 一裝配部件的至少 一部分與 第二裝配部件的至少 一部分相鄰。該方法還包括通過使激光基本沿該第一
      和第二裝配部件的相鄰部分的整個(gè)長度聚焦(集中)而將該第一和第二裝 配部件緊固在一起。


      圖l是根據(jù)本發(fā)明一示例性實(shí)施例的熱交換器的概略圖; 圖2是根據(jù)本發(fā)明一示例性實(shí)施例的管和翅片的概略圖; 圖3是根據(jù)本發(fā)明一示例性實(shí)施例的管組件的概略圖;以及 圖4是根據(jù)本發(fā)明 一 示例性實(shí)施例的管組件的另 一 概略圖。
      具體實(shí)施方式
      圖1示出一示例性的熱交換器10,該熱交換器10用于促使熱能從流 體傳遞到環(huán)境空氣、或傳遞到由一冷卻劑源供給的冷卻劑流體。在本發(fā)明 中,熱交換器10示出為空氣-空氣后冷卻器(ATAAC)并對其進(jìn)行說明。 然而,本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到,該熱交換器IO可以是該技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)已 知的任何類型的熱交換器,例如,散熱器、廢氣再循環(huán)冷卻器或液壓油冷 卻器。此外,熱交換器10可包括一進(jìn)口歧管12、 一出口歧管14和一核心 組件16。進(jìn)口歧管12和出口歧管14可在為流體18提供一與熱交換器10連通 的路徑的同時(shí)形成用于熱交換器10的結(jié)構(gòu)框架。應(yīng)該理解,所述流體18 可以是該技術(shù)領(lǐng)域中已知的任何類型的流體,例如空氣、廢氣或液壓流體。 進(jìn)口歧管12可包括一進(jìn)口端20,而出口歧管14可包括一出口端22。流體 18可通過進(jìn)口端20進(jìn)入熱交換器10并被引導(dǎo)進(jìn)入核心組件16。在橫穿核 心組件16并進(jìn)行熱交換后,流體18被從核心組件16引導(dǎo)至出口歧管14, 并通過出口歧管14的出口端22排出。核心組件16可促使熱量從流體18傳遞至一冷卻介質(zhì)(未示出)。該 冷卻介質(zhì)可以是該技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)已知的任何類型的冷卻介質(zhì),例如空氣、水、 乙二醇或7JC/乙二醇混合物。核心組件16可包括一由集管24、側(cè)板26、外 翅片28構(gòu)成的組件和管組件30。集管24可將管組件30連接到進(jìn)口歧管12和出口歧管14。另外,集管24和側(cè)板26可為核心組件16提供結(jié)構(gòu)支 承。此外,集管24可以設(shè)計(jì)成例如包含整件或單個(gè)部件。在另一示例性實(shí) 施例中,集管24還可以設(shè)計(jì)成例如由模塊部件制成,這些模塊部件可裝配 在一起形成整個(gè)組件。在圖2所示的一個(gè)示例性實(shí)施例中放大示出了外翅片28和管組件30。 管組件30可通過外翅片28隔開,該外翅片28可焊在各管組件30的外表 面32上以增大其外表面面積從而有助于熱傳遞。外翅片28可由薄金屬條 通過彎曲或其它方式形成為所希望的構(gòu)型。其構(gòu)型應(yīng)考慮到使環(huán)境空氣自 由流過外翅片28,從而使得環(huán)境空氣能夠?qū)⒐芙M件30和外翅片28的熱量 帶走。外翅片28可具有多種不同構(gòu)型,包括例如蛇形、鋸齒形、百葉形和 波形。圖2中所示實(shí)施例示出大體呈"U形"樣式的外翅片28。圖3示出形成管組件30的部件的示例性實(shí)施例??蓪为?dú)的部件接合 在一起形成管組件30的整個(gè)管體34。在一些實(shí)施例中,單獨(dú)的部件可包 括具有連接側(cè)(連接表面)38的第一 U槽36和具有連接側(cè)(連接表面) 42的第二U槽40。此外,第一U槽36和第二U槽40均可通過整件薄規(guī) 格不銹鋼例如304或304L級不銹鋼形成。"U"形的形成可通過彎曲方法 或現(xiàn)有技術(shù)中已知的能夠?qū)⒄讳P鋼制成"U"形的任何其它方法來實(shí) 現(xiàn)。應(yīng)該理解,不銹鋼能夠抵抗流體18中所含的腐蝕成分可能造成的腐蝕。 此外,薄規(guī)格不銹鋼可在流體18流過管30時(shí)耐受時(shí)有的高溫。盡管在圖 3的示例性實(shí)施例中僅示出了兩個(gè)部件或U槽,但是需要時(shí)可利用兩個(gè)或 更多部件形成整個(gè)管體34以形成管組件30。各管組件30還可包括一個(gè)或多個(gè)裝置,例如擾流子44,以促進(jìn)通過 管組件30的流體18的混合。在管組件30內(nèi)造成湍流流動將有助于流體 18、管組件30及外翅片28之間的熱傳遞。擾流子44可由相對較薄的金屬 材料條通過彎曲或其它方法形成所期望的構(gòu)型,且#>置于管組件30的內(nèi)部 46。制成擾流子44的金屬材料可以是任何材料,例如不銹鋼或任何其它能 夠抵抗流體18中所含的腐蝕成分、并能夠在流體18流過管組件30時(shí)耐受 有可能經(jīng)受的高溫的材料。各管組件30還可包括在與第一 U槽36和第二
      U槽40內(nèi)表面相鄰的釬焊層48。該釬焊層有益于如下文所述在管組件30 中形成剛性連接。管體34可包裝有擾流子44以形成管組件30。在一個(gè)實(shí)施例中,第二 U槽40制造成略大于第一 U槽36。擾流子44的一部分i殳置在第一 U槽 36的內(nèi)部接納區(qū)50內(nèi)。例如通過將擾流子44的一部分和第一 U槽36的 一部分設(shè)置在第二 U槽40的內(nèi)部接納區(qū)52內(nèi),可定位第二 U槽40以封 裝擾流子44。常規(guī)的焊接技術(shù)如高頻感應(yīng)焊接、擠壓焊、弧焊或等離子焊不適用于 進(jìn)行薄規(guī)格不銹鋼部件的聯(lián)接,因?yàn)檫@些技術(shù)會沿部件表面造成不希望的 扭曲變形。而這種扭曲變形將導(dǎo)致不希望的泄漏。但是,激光焊接操作可 使得在不銹鋼表面造成的扭曲變形最小,因而可用于聯(lián)接連接表面38和 42,以便于形成管組件30。應(yīng)該理解,激光焊接操作可通過任何類型的激 光(焊接)機(jī)例如脈沖YAG激光焊接機(jī)或二氧化碳激光(焊接)機(jī)來進(jìn) 行。此外,連接表面38和42可通過任何類型的激光焊縫例如搭焊縫、堆 焊縫或能夠在連接表面38和42之間形成氣密密封的任何其它類型焊縫相 互緊固。在將連接表面38和42相互緊固時(shí),可使來自激光焊接機(jī)的激光聚焦 在圖4所示的接縫邊緣54。通過使激光聚焦在接縫邊緣54,使連接表面 38和42緊鄰激光的部分熔化并相互結(jié)合而形成搭焊縫。應(yīng)該理解,可以 使激光基本沿連接表面38和42的整個(gè)長度聚焦,以產(chǎn)生連續(xù)的焊縫并最 小化或阻止任何可能的泄漏。在一可選實(shí)施例中,可使來自激光焊接機(jī)的激光聚焦在中央接縫部 56。通過使激光聚焦在中央接縫部56,使連接表面38和42緊鄰激光的部 分熔化并相互結(jié)合而形成堆焊縫。應(yīng)該理解,可以使激光基本沿連接表面 38和42的整個(gè)長度聚焦,以產(chǎn)生連續(xù)的焊縫并最小化或阻止任何可能的泄漏。一旦第一 U槽36和第二 U槽40通過激光焊縫相互緊固,即可進(jìn)行釬 焊操作以將擾流子44牢固地保持在第一 U槽36和第二 U槽40內(nèi)。例如,
      釬焊可沿?cái)_流子44的表面、釬焊層48、第一U槽36和第二U槽40的對 接表面進(jìn)行。可考慮在激光焊接操作完成后將管組件30與其它部件如集管 24、側(cè)板26和外翅片28—起裝配到核心組件16中。然后,可將核心組件 16放入釬焊爐中,在釬焊爐中形成很多釬焊接合部,包括例如擾流子44 與第一 U槽36及第二 U槽40之間的釬焊接合部。需要時(shí)也可考慮將管組 件30裝配成不帶擾流子44。工業(yè)適用性本發(fā)明的熱交換器管可抵抗由流過該管的空氣或氣體中所含的腐蝕性 成分引起的腐蝕問題??捎糜谥圃煸摴艿牟讳P鋼材料能抗腐蝕。并且,不 銹鋼材料還能夠在熱氣體流過該管時(shí)耐受可能經(jīng)受的高溫。通過激光焊接法將薄規(guī)格不銹鋼組件緊固在一起,可最小化或消除由 于腐蝕和/或不好的接頭(接縫)構(gòu)造所造成的可能的泄漏。不銹鋼材料可 有效地抵抗由流過該管的氣體中所含的成分導(dǎo)致的腐蝕。此外,利用激光 焊接工藝將薄規(guī)格不銹鋼部件緊固在一起可將這些部件的扭曲變形或結(jié)構(gòu) 惡化減小到最低程度。而這種扭曲變形或結(jié)構(gòu)惡化將導(dǎo)致管內(nèi)形成泄漏。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言,可以在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下對本 發(fā)明的裝置做出多種改良和變型。本領(lǐng)域的技術(shù)人員通過考慮本說明書中 公開的內(nèi)容也可得到其它實(shí)施例。本說明書和示例僅應(yīng)^皮浮見為示例性的, 本發(fā)明的真實(shí)范圍由所附權(quán)利要求以及等同方案限定。
      權(quán)利要求
      1. 一種用于熱交換器(10)的管組件(30),該管組件包括第一U形不銹鋼管裝配部件(36);第二U形不銹鋼管裝配部件(40);以及將第一和第二U形管裝配部件聯(lián)接在一起的至少一個(gè)激光焊接接合部;其中,該至少一個(gè)激光焊接接合部包含一基本沿該管組件的整個(gè)長度延伸的焊縫。
      2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的管組件,其特征在于,所述第二 U形不銹 鋼管裝配部件比所述第一 U形不銹鋼管裝配部件大,從而使得所述第一 U 形不銹鋼管裝配部件的至少一部分可裝配到所述第二U形不銹鋼管裝配部 件內(nèi)。
      3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的管組件,其特征在于,所述第二 U形不銹 鋼管裝配部件的一表面(42)的至少一部分與所述第一U形不銹鋼管裝配 部件的一表面(38)的至少一部分重疊。
      4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的管組件,其特征在于,所述烊縫沿第二U 形不銹鋼管裝配部件的所述表面的邊緣(54)延伸,并與第一U形不銹鋼 管裝配部件的一表面的至少一部分重疊。
      5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的管組件,其特征在于,所述焊縫沿第二U 形不銹鋼管裝配部件的所W面的中央部分(56)延伸,并與第一U形不 銹鋼管裝配部件的一表面的至少一部分重疊。
      6. —種制造用于熱交換器(10)的管組件(30)的方法,包括如下'將第一裝配部件(36)成形為U形; 將第二裝配部件(40)成形為U形;將該第 一和第二裝配部件相結(jié)合使得第 一裝配部件的至少 一部分與第 二裝配部件的至少一部分相鄰;以及通過使激光基本沿該第一和第二裝配部件的相鄰部分的整個(gè)長度聚焦而將該第 一和第二裝配部件緊固在一起。
      7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,其特征在于,將第一和第二裝配部 件相結(jié)合包括使所述第二裝配部件的至少一部分(42)與所述第一裝配部 件的至少一部分(38)重疊。
      8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法,其特征在于,該方法還包括^使激光 沿所述第二裝配部件的與所述第一裝配部件重疊的部分的邊緣(54 )聚焦。
      9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法,其特征在于,該方法還包括^使激光 沿所述第二裝配部件的與所述第一裝配部件重疊的部分的中央?yún)^(qū)(56)聚 焦。
      10. —種熱交換器(10),包括 一進(jìn)口歧管(12);一出口歧管(14);以及 一核心組件(16),該核心組件包括集管(24);側(cè)板(26);外翅片(28);以及如權(quán)利要求l-5中任一項(xiàng)所述的管組件(30)。
      全文摘要
      本發(fā)明提供了一種用于熱交換器(10)的管組件(30)。該管組件具有第一U形不銹鋼裝配部件(36)和第二U形不銹鋼裝配部件(40)。此外,該管組件還具有至少一個(gè)將第一和第二U形管裝配部件聯(lián)接在一起的激光焊接接合部。該激光焊接接合部具有一基本沿該管組件的整個(gè)長度延伸的焊縫。
      文檔編號F28F9/18GK101398274SQ20071016305
      公開日2009年4月1日 申請日期2007年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月29日
      發(fā)明者張守都, 楊志尚, 楊聯(lián)民, 王增強(qiáng), 盛岳宣, 許新強(qiáng), 趙世柱, 陳富強(qiáng), 馬九波 申請人:卡特彼勒公司
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