Ф5mm TP2內螺紋銅管脹管缺陷分析及工藝優化

葉酈峰，萬胤明，胡志強，曾延琦，吳 禮，何 強

（1. 江西銅業加工事業部，江西 南昌 330096；2. 江西銅業技術研究院有限公司，江西 南昌 330096）

Ф5mm TP2內螺紋銅管脹管缺陷分析及工藝優化

葉酈峰1，萬胤明1，胡志強1，曾延琦2，吳 禮2，何 強2

（1. 江西銅業加工事業部，江西 南昌 330096；2. 江西銅業技術研究院有限公司，江西 南昌 330096）

Ф5mm TP2內螺紋銅管在空調中使用占比逐年增大。采用齒形觀測、金相組織觀察和力學性能測試等手段，分析了Ф5mm TP2內螺紋銅管脹管缺陷產生的原因，并對Ф5mm TP2內螺紋銅管進行了工藝優化試驗。研究結果表明：收縮不均、擴口沿齒裂紋以及折管等缺陷產生的主要原因是成品齒形參數和力學性能匹配不佳；優化設計Ф5mm TP2內螺紋銅管成形螺紋芯頭外徑為Ф5.79mm，齒深為0.150mm，成品退火為加熱溫度為480℃、保溫時間為33min，在此工藝條件下試生產的樣管，脹管時未出現收縮不均、擴口斜裂和折管缺陷。

內螺紋銅管；脹管成形缺陷；收縮率；沿齒裂紋；折管

1 引言

TP2內螺紋銅管以其優異的換熱性能已成為空調冷凝器和蒸發器的主要換熱元件。管徑小、米克重低、熱交換效率高的Ф5mm TP2內螺紋銅管在空調換熱器中使用能顯著降低冷媒用量和銅管用量，而且它制成的換熱器能效比與Ф7mm內螺紋銅管的換熱器相當［1-5］。目前，隨著空調器朝著高效、節能、環保、小型化、輕型化方向發展，以及空調廠家對成本降低不斷追求，Ф5mm TP2內螺紋銅管成為空調制冷用銅管更新換代的首選產品，在空調中的使用占比也逐年增大［6-8］。相對于Ф7mm和Ф9.52mm內螺紋銅管，Ф5mm TP2內螺紋銅管外徑更小、底壁更薄，最薄底壁僅為0.20mm，它的后續加工成形性能對管材齒形參數、微觀組織狀態和力學性能較敏感。因此，空調廠家在將Ф5mm TP2內螺紋銅管制造兩器片時，特別是脹管成形過程中，更容易出現收縮不均、擴口處沿齒裂紋以及U形處折管等脹管缺陷。

本文以Ф5mm TP2內螺紋銅管及其脹管成形為研究對象，通過齒形觀測、金相組織觀察和力學性能測試等手段，研究了Ф5mm TP2內螺紋銅管脹管成形過程中，銅管出現收縮不均、擴口沿齒裂紋以及U形處折管等脹管缺陷產生的原因，并通過工藝試驗和現場試用結果統計等方法對Ф5mm TP2內螺紋銅管進行了工藝優化。

2 材料與方法

選取出現各類脹管缺陷率較高的Ф5mm TP2內螺紋銅管留樣，進行齒形觀測、金相組織觀察和力學性能測試，分析脹管缺陷產生原因。根據分析結果進行工藝試驗優化內螺紋成形模具參數及成品退火參數，選取優化后工藝進行擴大試驗試制樣品，經客戶現場試用并分析統計結果。齒形觀測和金相組織觀察在基恩士VHX-1000C 3D金相顯微鏡上進行，拉伸力學性能測試在美特斯Exceed Model E45萬能試驗機上進行，維氏硬度測試在意大利AFFRI DM2 D硬度計上進行。

3 結果與討論

3.1脹管缺陷分析

圖1是脹管后銅管出現收縮不均勻現象，即部分長U管收縮過量的現象。由圖可知，圖中箭頭所示的長U管平行臂在脹管后收縮略有過量，即平行臂伸出定位板較周圍鄰近的長U管平行臂略短。而且，由于平行臂收縮過量，進而造成平行臂端部的喇叭口擴口量不達標。根據銅管脹管及其金屬變形原理可知，這種收縮不均勻的現象與管材在脹管過程中應變程度有關［9-10］。而管材在脹管過程中應變程度與管材的外徑和總壁厚相關。表1給出的是客戶現場取回的出現收縮不均嚴重和收縮較均勻的銅管留樣所測的外徑和總壁厚統計結果，可以看出，收縮不均勻的樣管外徑偏小0.02mm、總壁厚波動明顯大，進而造成脹管后管材變形率波動大，表現為收縮不均勻現象嚴重。

圖1　脹管后銅管出現收縮不均勻現象

表1　收縮不均勻和均勻銅管其留樣所測外徑和總壁厚度

脹管后部分銅管平行臂的端部喇叭口處出現沿齒斜裂的現象，如圖2中箭頭所示。喇叭口是U形管脹管后隨即用擴口模具對其端部進行機械擴口成形，其變形率一般較大。喇叭口處沿齒斜裂與銅管底壁的厚度及銅管塑性相關性最大［11］。表2是客戶現場取回的出現斜裂較多和較少的銅管留樣底壁厚和延伸率的統計結果，可以看出，出現斜裂較多的銅管，底壁厚度為0.188～0.209mm，處于空調廠家對銅管底壁厚要求的下限區域，而出現斜裂極少的銅管，底壁厚度為0.207～0.221mm，處于空調廠家對銅管底壁厚要求的上限區域，圖3是隨機選取了沿齒斜裂較多和極少的銅管留樣各1個所測的底壁厚度，分別為0.189mm和0.212mm。在塑性方面，由表2可知出現斜裂較多的銅管其它延伸率為45%～48%，小于出現斜裂極少的銅管，表明其塑性較出現斜裂極少的銅管要略微差一些。

圖2　脹管后銅管喇叭口處出現沿齒斜裂現象

表2　沿齒斜裂較多和極少銅管其留樣所測底壁厚度和延伸率

圖3 沿齒斜裂較多和極少的銅管底壁厚度測試結果

圖4給出的是脹管后銅管U形處出現折管現象。由于銅管在脹管過程中不能承受脹管模具傳遞過來的壓力，而導致在銅管受力最大處發生輕微或嚴重的折管現象。為此，對出現折管缺陷較嚴重和無折管缺陷的銅管進行了大量的拉伸力學性能測試和硬度測試，其結果如表3所示。從表3可以看出，無折管現象的銅管不僅抗拉強度、維氏硬度以均高于折管現象嚴重的銅管，延伸率也明顯高于折管現象嚴重的銅管。

圖4　脹管后銅管U形處出現折管現象

表3　脹管后折管嚴重和無折管現象留樣的力學性能

3.2脹管成形性能優化

由以上脹管缺陷分析，為改善Ф5mm TP2內螺紋銅管脹管成形性能，一方面，需對成品的齒形參數進行優化，即將其外徑、底壁厚度分別調整，使其靠近空調廠家要求的上限，同時盡量使齒高接近要求下限，總壁厚度均勻。為此，對Ф5mm TP2內螺紋銅管成形模具參數進行了優化，即Ф5mm TP2內螺紋銅管成形螺紋芯頭外徑和齒深分別調整為Ф5.79mm和0.150mm，定徑模內徑調整為5.05mm。

另一方面，需對其成品的力學性能進行優化，使其抗拉強度、硬度和延伸率均保持較高狀態，達到大幅降低銅管脹管過程中折管和擴口沿齒裂紋缺陷出現的概率。根據金屬材料強度與其晶粒大小的Hall-Petch公式［12］：

σ=σ0+K·d（-1/2）

式中σ0為單晶的屈服強度，d為晶粒大小，K為常數，σ屈服強度?？芍?，控制成品的微觀組織，使其晶粒尺寸更均勻、更細小是提高材料抗拉強度和提高延伸率最有效途徑之一。因此，對成品退火工藝進行大量優化小試試驗后，調整為加熱溫度為480℃和保溫時間為33min。

根據以上齒形參數和成品退火工藝優化方案，進行了擴大試驗。圖5優化前成品和優化后擴大試驗樣管成品的金相組織圖，可以看出，優化后成品的晶粒更均勻、更細小。表4是成品部分關鍵齒形參數和力學性能，較優化前底壁厚度增大，齒高降低，抗拉強度、硬度和延伸率均提高。擴大試驗樣管在客戶處進行了試用，其中脹管收縮不均、擴口沿齒斜裂和折管現象均未出現。

圖5　優化前后樣管成品金相組織（放大倍數200X）

表4　優化后擴大試驗樣管成品關部分形參數和力學性能

4 結論

（1）脹管成形過程出現收縮不均、擴口沿齒裂紋以及折管缺陷主要原因是成品齒形參數控制范圍不理想，力學性能匹配不佳。

（2）優化內螺紋成形芯頭外徑為5.79mm，齒深為0.150，成品退火加熱溫度為480℃、保溫時間為33min后，在此工藝條件下試生產的Ф5mm TP2內螺紋銅管樣管，脹管時未出現收縮不均、擴口斜裂和折管缺陷。

［1］李紅安， 王世中， 魯長建， 等. 制冷空調設備用銅管的發展趨勢［J］.制冷與空調， 2014（12）:13-16.

［2］張朝暉， 陳敬良， 劉曉紅， 等. 再談中國制冷空調行業的轉型升級發展［J］. 制冷與空調， 2014（1）:1-5.

［3］ 李剛，張仙平，朱全志，等. 淺析我國制冷空調行業的轉型升級研究［J］. 橡塑技術與裝備， 2015（24）:173-174.

［4］尤順義， 張靜， 林燦洪， 等. 小管徑內螺紋銅管在空調系統中的應用［J］. 制冷技術， 2010（2）:22-25.

［5］羅欣， 劉錦平， 朱暉， 等. 小彎頭管缺陷分析及彎曲成形工藝優化［J］.銅業工程， 2015（5）:1-4+32.

［6］黎順全， 張智， 徐志亮. 5mm內螺紋銅管在空調系統中的應用［A］.中國家用電器協會. 2014年中國家用電器技術大會論文集［C］. 中國家用電器協會， 2014:6.

［7］劉占海， 姜業欣， 馮成桂. 5mm高齒內螺紋銅管研究［J］. 金屬材料與冶金工程， 2013， 41（5）: 3-7.

［8］曾延琦， 吳禮， 何強. 空調制冷用Φ5mm瘦齒大螺旋角內螺紋銅管旋壓成形和管內換熱性能［J］. 有色金屬工程， 2015（1）:18-21+26.

［9］王鵬. 空調熱交換器A、B值影響因素及控制方法［J］. 湖南農機，2013（1）:222-223.

［10］張鵬. 空調管翅式換熱器成形工藝的仿真研究［D］. 上海交通大學，2008.

［11］熊雙奎， 王順興. 空調制冷銅管在使用過程中常出現的問題［J］. 有色金屬加工， 2009（1）:35-38+15.

［12］胡賡祥， 蔡珣， 戎詠華. 材料科學與基礎［M］. 上海:上海交通大學出版社， 2006:181-182.

Tube Expanding Defects Analysis and Process Optimization of Ф5mm TP2 Inner Grooved Copper Tube

YE Li-feng1， WAN Yin-ming1， HU Zhi-qiang1， ZENG Yan-qi2， WU Li2， HE Qiang2
（1.JCC Processing Business Division，Nanchang 330096， Jiangxi ， China； Jiangxi Copper Technology Research Institute Co.， Ltd，Nanchang 330096， Jiangxi， China）

The use of Ф5mm TP2 inner grooved copper tube in the air conditioning increased year by year. The causes of tube expanding defects of Ф5mm copper TP2 tube was investigated by groove profile measure， metallographic structure observation and mechanical property test. Then the forming process of Ф5mm TP2 inner grooved copper tube was designed and tested. The results show that the main causes of shrinkage uneven， crack along groove and tube folding during tube expand-forming were that the control range of groove profile parameters were not ideal， and the mechanical property was mismatched. The optimized diameter and groove depth of groove forming die and final annealing process for Ф5mm TP2 inner grooved copper tube were 5.79mm， 0.150mm and 480℃/33min respectively. According to these parameters， the trial-produced Ф5mm TP2 inner grooved copper tube exhibited superior tube expand-forming performance， shrinkage uneven， crack along groove and tube folding defects during the tube expand-forming procedure disappeared.

inner grooved copper tube；expand forming defects；shrinkage rate；crack along groove；tube folding

TG376.9

A

1009-3842（2016）03-0020-04

2016-03-22

葉酈峰（1973-），男，江西德興人，主要從事精密銅管技術開發和生產管理。E-mail: gameylf@163.com