一种分布式集热板成型方法与流程

本发明涉及航天器热控制技术领域，具体涉及一种分布式集热板成型方法。

背景技术：

卫星用集热板是一种特殊的板翅式热交换器，仅有一层换热通道，由上下面板、导流翅片、换热翅片、封条、埋块组成。电子设备安装在冷板的上下面板表面，工作介质通过接头，进入冷板内部，经导流翅片分配，均匀进入换热翅片，带走面板外表面电子设备工作时发出的热量后，温度升高，从另一端的接头流出。温度升高后的工作介质被重新冷却后再流入冷板，构成循环。

新型返回卫星为解决回收舱热耗高于传统返回卫星10倍以上的难题，在回收舱使用集热板收集设备热量。新型返回卫星回收舱集热板与传统单相流体回路集热板存在较大差异，主要体现在以下几方面：

(1)外形：新型返回卫星回收舱集热板为直径1m左右不规则圆形且板中心开大面积结构孔，而传统单向流体回路集热板为矩形且面积最大不超过新型返回卫星回收舱集热板面积的一半；

(2)机械接口：新型返回卫星回收舱集热板为了与卫星结构及设备装配，在板面设计了80多个Φ4～Φ9大小不等、分布不均且高精度定位要求的安装孔，而传统单向流体回路集热板对应单一设备其安装孔一般不超过10个，且为矩形规则分布；

(3)热接口：总热耗约200W电子设备不规则分布在新型返回卫星回收舱集热板上，而传统单向流体回路集热板对应单一设备，前者给等温板的集热及等温化设计提出了更高要求；

(4)重量：新型返回卫星由于重量限制两块5mm厚冷板总重量不超过10公斤，是相同体积、牌号铝的一半不到。

总之，新型返回卫星回收舱集热板由于外形尺寸、机械接口及热接口等技术要求的提高，给集热板的制造成型造成了不小的困难，采用传统方法已无法保证新型集热板可以满足使用要求，因此必须摸索全新成型方法以保证新型集热板的制造成型。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种分布式集热板成型方法，能够解决新型返回卫星单相流体回路集热板由于外形尺寸增大、机械接口变多及热接口分布不规则等技术要求的提高，给集热板的制造成型造成的集热难题。

一种分布式集热板成型方法，加工步骤如下：

第一步：设计加工一体化成型的不锈钢夹具板，夹具板一侧开有减重孔，使用前对夹具板进行预烘，使得夹具板内部气体得到充分释放；

第二步：对夹具板的装夹面进行铣削加工，使得装夹面的平面度达到0.1mm～0.15mm；

第三步：集热板为不规则圆形且面板中心开大面积结构孔，轮式预埋块为轮毂形状，轮轴大小与面板上的结构孔一致；在集热板上预留工艺定位孔，将集热板圆心位置作为工艺定位孔A，以圆心为中心建立三维坐标系，在Z轴方向上，将与设备安装不干涉的一点作为工艺定位孔B；根据两个工艺定位孔的位置在装配工装上预先加工出的两个定位销孔，然后在上面板和下面板对应加工出两个工艺定位孔；

第四步：装配工装与焊接工装配合使用，采用点焊定位，在上面板和下面板对应装配轮式预埋块、翅片导流板以及封条的位置粗定位，同时放置钎料；

第五步：将轮式预埋块与上面板和下面板进行装配，表面平齐，根据点焊的位置，将翅片导流板装配在上面板和下面板之间，两个封条分别装配在上面板和下面板的外表面；

第六步：对装配好的集热板进行真空整体钎焊，在上夹具板与上面板、下夹具板与下面板之间各放置一块铝合金工艺垫板，在集热板边缘部位进行局部遮挡，放置在钎焊炉中，经过不同温度控制段实现钎焊；

第七步：对钎焊完成的集热板开工艺孔并进行机加工，选用机床的规格为，X轴行程大于1m，Y轴行程大于1.1m，行程大于集热板外形尺寸，对第三步中预留的工艺定位孔A、B进行精加工，以工艺定位孔A为基准加工其余需要安装设备所对应的安装孔；要求孔尺寸公差为±0.0120mm，位置度要求±0.05mm。

进一步地，所述第一步中进行预烘的温度为650±3℃，保温时间为1.5±0.1h。

进一步地，所述第六步进行局部遮挡是指在集热板边缘部位的中心位置放置金属块。

进一步地，所述第六步焊接过程的不同温度控制段是指要经过反复升温—保温—升温—保温—降温—保温—出炉，在集热板中心及面板外部安插热电偶，实时控制集热板的实际温度及升温情况，保证集热板四周及中心位置温度一致，温差控制在3℃以内，实时监测控制炉内温度，升温阶段，将加热器温度控制在比集热板温度高200℃；集热板温度控制如下所示：温度达到150℃时保温20min，温度达到220℃时保温25min，温度达到315℃时保温22min，温度达到420℃时保温25min，温度达到525℃时保温30min，温度达到575℃时保温35min，温度达到605℃时保温12min，温度达到615℃时保温5min，之后要经过降温—保温—降温—保温的阶梯型控温方法，温度降到605℃时保温7min，温度降到580℃时保温15min，温度降到500℃时保温25min，温度降到420℃时保温23min，温度降到355℃时保温12min，温度降到300℃时准备出炉，关加热器自然降温，等集热板冷却接近室温时出炉后打开夹具板取出集热板。

通过钎焊炉体的真空规管实时控制炉内真空度，升温过程中温度直到上升到525℃的时间段内炉体真空度控制在1.0×10^-3Pa，之后温度上升到峰值然后下降到580℃的时间段内炉体真空度小于1.0×10^-3Pa，温度下降到300℃以下至准备出炉的时间段内炉体真空度控制在3.0×10^-3Pa以内；

升温速率3±0.1℃/min，降温速率5±0.1℃/min，真空度测量精度优于1Pa。

有益效果：

1、本发明的成型方法可以解决新型返回卫星单相流体回路集热板由于外形尺寸增大、机械接口变多及热接口分布不规则等技术要求的提高，给集热板的制造成型造成的集热难题。

2、本发明在新夹具板使用前必须进行预烘，预烘温度为650±3℃，保温时间为1.5±0.1h，可以使夹具板内部杂质气体得到充分的释放，达到净化夹具板的目的。

3、本发明的轮式预埋芯可有效减小预埋芯体积，从而降低集热板重量；宽轮辐为焊接面保证了充分的钎焊面积，从而保证预埋芯的固定强度；轮轴为打孔面，且与轮辐焊接面分离保证了集热板钎焊后进行数控打孔时，安装孔周围面板不会因机加而引起集热板变形开焊。

4、本发明在上夹具板与上面板、下夹具板与下面板之间各放置一块铝合金工艺垫板，可以使集热板受热均匀。

5、本发明进行局部遮挡，可以保证集热板边缘位置与集热板中心位置尽可能同时达到焊接温度，确保集热板的焊接质量以及良好外观。

6、本发明在钎焊焊接时对钎焊炉的升温速度、焊接温度以及真空度的控制与监测，能够保证焊接质量以集热板受热均匀。

7、本发明合理的焊接温度控制，可以确保集热板焊接质量，同时防止集热板受热变形。

8、本发明在集热板上预留工艺定位孔，可以保证集热板表面各孔加工位置尺寸及公差要求。

附图说明

图1为集热板钎焊示意图；

图2为集热板机加基准示意图；

图3为夹具板示意图。

其中，1-轮式预埋块，2-上面板，3-下面板，4-翅片导流板，5-铝合金工艺垫板，6-上夹具板，7-下夹具板，8-工艺定位孔B，9-工艺定位孔A。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种分布式集热板成型方法，加工步骤如下：

第一步：设计加工一体化成型的不锈钢夹具板，如图3所示，夹具板一侧开有减重孔，使用前对夹具板进行预烘，预烘温度为650±3℃，保温时间为1.5±0.1h，使得夹具板内部气体得到充分释放；

第二步：为保证焊接轮式预埋块1和翅片导流板4的平面度，必须要求夹具板装夹面平面度高于集热板轮式预埋块1和翅片导流板4的设计要求平面度，因此，在使用前对夹具板的装夹面进行铣削加工，使得装夹面的平面度达到0.1mm～0.15mm；

第三步：集热板为直径1m左右不规则圆形且面板中心开大面积结构孔，如图1、图2所示，轮式预埋块1为轮毂形状，轮轴大小与面板上的结构孔一样；在集热板上预留工艺定位孔，将集热板圆心位置作为工艺定位孔A9，以圆心为中心建立三维坐标系，在Z轴方向上，将与设备安装不干涉的一点作为工艺定位孔B8；根据两个工艺定位孔的位置在装配工装上预先加工出的两个定位销孔，然后在上面板2和下面板3对应加工出两个工艺定位孔；

第四步：装配工装与焊接工装配合使用，采用点焊定位，在上面板2、下面板3对应装配轮式预埋块1、翅片导流板4以及封条的位置粗定位，同时放置钎料；

第五步：将轮式预埋块1与上面板2和下面板3进行装配，表面平齐，根据点焊的位置，将翅片导流板4装配在上面板2和下面板3之间，两个封条为框架形状，分别装配在上面板2和下面板3的外表面；

第六步：对装配好的集热板进行真空整体钎焊，在上夹具板6与上面板2、下夹具板7与下面板3之间各放置一块铝合金工艺垫板5，使集热板受热均匀；

由于集热板面积大，厚度薄，在焊接时吸热量大，升温速度快，而集热板外边缘面局部靠近炉体加热带，容易造成局部熔蚀甚至过烧，需要在集热板边缘部位进行相应保护，在集热板边缘部位进行局部遮挡，在集热板边缘部位的中心位置放置金属块，保证集热板边缘位置与集热板中心位置尽可能同时达到焊接温度；然后放置在钎焊炉中，通过控制焊接温度、真空度和升温速度实现钎焊；

控制焊接温度是指焊接过程要经过不同温度控制段的反复升温—保温—升温—保温—降温—保温—出炉，在集热板中心及面板外部安插热电偶，实时控制集热板的实际温度及升温情况，保证集热板四周及中心位置温度一致，温差控制在3℃以内，实时监测控制炉内温度，升温阶段，将加热器温度控制在比集热板温度高200℃；如表1所示，集热板温度控制如下所示：温度达到150℃时保温20min，温度达到220℃时保温25min，温度达到315℃时保温22min，温度达到420℃时保温25min，温度达到525℃时保温30min，温度达到575℃时保温35min，温度达到605℃时保温12min，温度达到615℃时保温5min，之后要经过降温—保温—降温—保温的阶梯型控温方法，以防止集热板热变形，温度降到605℃时保温7min，温度降到580℃时保温15min，温度降到500℃时保温25min，温度降到420℃时保温23min，温度降到355℃时保温12min，温度降到300℃时准备出炉，关加热器自然降温，等集热板冷却接近室温时出炉后打开夹具板取出集热板。

表1

通过钎焊炉体的真空规管实时控制炉内真空度，升温过程中温度直到上升到525℃的时间段内炉体真空度控制在1.0×10^-3Pa，之后温度上升到峰值然后下降到580℃的时间段内炉体真空度小于1.0×10^-3Pa，温度下降到300℃以下至准备出炉的时间段内炉体真空度控制在3.0×10^-3Pa以内；

根据被焊集热板的大小对保温时间及升温速度等参数进行调整，升温速率3±0.1℃/min，降温速率5±0.1℃/min，真空度测量精度优于1Pa。

第七步：对钎焊完成的集热板开工艺孔并进行机加工，选用机床的规格为，X轴行程大于1m，Y轴行程大于1.1m，行程大于集热板外形尺寸，若行程小于集热板外形尺寸，则会出现二次装夹，无法保证冷板外形尺寸及公差要求。对第三步中预留的工艺定位孔A9、工艺定位孔B8进行精加工，以工艺定位孔A9为基准加工其余需要安装设备所对应的80多个安装孔；要求孔尺寸公差为±0.0120mm，位置度要求±0.05mm。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。