FSW Flüssigkeitskühlplatten
Rührreibschweißen ist ein Verfahren zur Herstellung flüssigkeitsgekühlter Platten, das die Beschränkungen des herkömmlichen Schmelzschweißens durchbricht, indem es mechanische Kraft nutzt, um den thermoplastischen Prozess zu dominieren und die Bindungsform der Metallatome im festen Zustand neu zu gestalten.
Flüssigkeitskühlplatte
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Was ist eine FSW-Flüssigkeitskühlplatte?
Reibrührschweißen ist ein physikalisches Festkörperschweißverfahren. Es besteht üblicherweise aus zwei Teilen: der Bodenplatte und der Deckplatte. Unter Einwirkung mechanischer Kraft und Reibungswärme bewegt sich der Rührkopf relativ zum Schweißmaterial, wodurch die Temperatur der Reibfläche und ihrer Umgebung auf einen Temperaturbereich nahe, aber unter dem Schmelzpunkt des Schweißmaterials ansteigt. Der Verformungswiderstand des Materials nimmt ab, die Plastizität nimmt zu und der Oxidfilm an der Grenzfläche wird aufgebrochen. Unter dem Druck des Schmiedens werden Bodenplatte und Deckplatte durch Diffusion und Rekristallisation der Grenzflächenmoleküle miteinander verschweißt. Der gesamte Prozess unterliegt keinen chemischen Veränderungen, was ihn zu einem äußerst zuverlässigen Verfahren zur Herstellung flüssigkeitsgekühlter Platten macht.
Wie stellt man eine FSW-Flüssigkeitskühlplatte her?
Bei der Herstellung einer rührreibgeschweißten Flüssigkeitskühlplatte ist die Materialauswahl entscheidend. Zu den gängigen Materialien gehören Aluminium und Kupfer. Bei Aluminiummaterialien besteht die Bodenplatte häufig aus der Aluminiumlegierung 6061 und die Deckplatte üblicherweise aus der Aluminiumlegierung 1050. Während der Produktion werden die Platten zunächst vorbehandelt, beispielsweise durch Schneiden und Reinigen, um Oberflächenverunreinigungen und Ölflecken zu entfernen. Anschließend werden Bodenplatte und Deckplatte zusammengefügt und positioniert. Abschließend kommt ein Rührreibschweißgerät zum Einsatz, bei dem sich der Rührkopf mit hoher Geschwindigkeit dreht und durch Reibung mit den Materialien Wärme erzeugt. Die Materialien werden dann in einem plastischen Zustand verschmolzen, um den Schweißvorgang abzuschließen und die Flüssigkeitskühlplatte herzustellen.
Bei der Herstellung von Flüssigkeitskühlplatten sind Design und Verarbeitung des Strömungskanals von großer Bedeutung. In der Regel beträgt die Breite des Strömungskanals einer Flüssigkeitskühlplatte 9 bis 20 Millimeter, die Tiefe etwa 10 Millimeter. Die Deckplatte ist üblicherweise 4 Millimeter dick, während die Bodenplatte eine konkav geformte Nut aufweisen muss. Diese Konstruktion gewährleistet optimale Bedingungen für das Rührreibschweißen, sobald die Deckplatte aufgesetzt ist. Für einen reibungslosen Ablauf sollten rechte Winkel im Strömungskanal vermieden und ein R-Winkel gewählt werden, damit der Bohrer reibungslos hindurchpasst. Nach der Bearbeitung des Strömungskanals muss das Material neu geformt und anschließend mittels CNC-Bearbeitung eine Dicke der Deckplatte von mindestens 3 Millimetern erreicht werden. Um die Schweißqualität zu gewährleisten, sollte die Schweißtiefe beim Schweißen in der Regel über 4 Millimeter liegen.
Wie gestaltet man die Strömungskanäle für eine FSW-Flüssigkeitskühlplatte?
Mikrokanäle zur lokalen Verdichtung:
Bei der Entwicklung einer reibrührgeschweißten Flüssigkeitskühlplatte für Wärmequellen mit hoher Leistungsdichte wie Wechselrichter und IGBTs mit einer Leistung von über 2000 Watt ist eine lokale Behandlung der Strömungskanäle der Flüssigkeitskühlplatte erforderlich. Denn Strömungskanäle mit einer herkömmlichen Flächeneinheit können den Kühlanforderungen von Wärmequellen mit hoher Leistungsdichte nicht gerecht werden. Daher werden die Strömungskanäle am Boden der Wärmequelle üblicherweise einer Verschlüsselungsbehandlung unterzogen. Das bedeutet, dass die Strömungskanäle am Boden vollständig mit der Kühlflüssigkeit in Kontakt stehen, sodass die Wärme in die Kühlflüssigkeit diffundieren und anschließend abgeführt werden kann. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Wärmequellen mit hoher Leistungsdichte während des Betriebs eine angemessene Temperatur aufrechterhalten und der stabile Betrieb der Geräte gewährleistet wird. Zur Herstellung dieser lokal verdichteten Mikrokanäle wird üblicherweise das Skived-Fin-Verfahren verwendet.
Reihenschaltung:
Bei der Entwicklung einer Flüssigkeitskühlplatte ist die Anordnung der Strömungskanäle entscheidend. Für Wärmequellen mit einer Leistung unter 2 kW eignet sich eine Reihenschaltung. Dabei tritt das Kühlmittel in die Platte ein, fließt durch gleichmäßig angeordnete Kanäle und tritt wieder aus. Befinden sich mehrere Wärmequellen (z. B. 3 oder 4) auf der Platte, durchströmt das Kühlmittel diese nacheinander. Da die erste Wärmequelle Wärme aufnimmt, ist sie heißer als die letzte. Ein Temperaturunterschied von etwa 4 °C ist jedoch akzeptabel. Diese einfache Reihenschaltung ist eine gängige Wahl für Wärmequellen mittlerer Leistung, da sie Kühlleistung und einfaches Design vereint.
Parallelschaltung:
Bei der Entwicklung von Flüssigkeitskühlplatten für Ultrahochleistungsquellen wie Wechselrichter oder IGBTs über 3000 W ist die Verwendung paralleler statt serieller Strömungskanäle unerlässlich. Reihenschaltungen verursachen große Temperaturunterschiede zwischen den Komponenten und beeinträchtigen die Leistung. Parallele Konstruktionen gewährleisten eine gleichmäßige Kühlung, erfordern jedoch eine präzise Steuerung der Durchflussraten unter jeder Wärmequelle. Da geringere Druckunterschiede zu einem schnelleren Durchfluss führen, ist die Aufrechterhaltung konstanter Durchflussraten über alle parallelen Kanäle entscheidend für eine effiziente Wärmeableitung und einen stabilen Gerätebetrieb.
Wie stellt Walmate Thermal die FSW-Kühlplatte für Kunden her?
Material
Bei der Materialauswahl entscheiden wir uns je nach Leistungsbedarf unserer Kunden für Kupfer 1100 oder Aluminium 6063. Auf diese Weise können wir nicht nur die Bedürfnisse unserer Kunden erfüllen, sondern ihnen auch helfen, Kosten zu senken.
Wärmebehandlung
Nach der Auswahl des Materials führen wir eine Wärmebehandlung durch. Da das Rohmaterial der Flüssigkeitskühlplatte innere Spannungen aufweist, müssen wir das Material glühen. Dadurch wird sichergestellt, dass die inneren Spannungen während der Verarbeitung abgebaut werden können.
CNC-Bearbeitung
Mit unseren modernen CNC-Maschinen bearbeiten wir die Strömungskanäle präzise und gewährleisten so eine hochpräzise Toleranzübereinstimmung zwischen Bodenplatte und Deckplatte. Dieser präzise Bearbeitungsprozess bildet eine solide Grundlage für das anschließende Rührreibschweißverfahren.
Dichtigkeitsprüfung
Mithilfe von Luft- oder Heliuminspektionsmethoden wird umfassend auf mögliche Defekte geprüft, die während des Schweißprozesses aufgetreten sein könnten. Um die Produktqualität sicherzustellen, werden alle Flüssigkeitskühlplatten einer 100%igen Dichtheitsprüfung unterzogen. Nur Flüssigkeitskühlplatten, die diese Prüfung bestehen, gelangen in den nächsten Schritt – die präzise CNC-Bearbeitung.
