鈦合金流體軟管組件的設計與工藝*

尹 鵬，端贛來

（南京電子技術研究所，江蘇南京 210039）

引 言

隨著電子設備向著集成化、大功率、輕量化的方向發展，產品的散熱要求越來越高，自然冷卻和強迫風冷技術常常難以滿足。液體冷卻由于散熱效率高[1]、噪聲低而逐漸成為解決散熱問題的主要手段，但液體冷卻需要密閉的傳輸通道和液冷源，且存在泄漏風險。對于路徑復雜、空間狹窄、需要移動以及工作時需拆卸的液冷系統，系統內部常常采用軟管組件連接形成傳輸通道，因此輕量、可靠的流體軟管組件的設計制造技術成為裝備研制的關鍵技術之一。

目前常用的流體軟管組件主要有波紋管、橡膠管、聚四氟乙烯（PTFE）軟管等。不同軟管在應用上都存在一定的局限性，波紋管容易腐蝕開裂，橡膠管低溫環境適應性差、容易老化，PTFE軟管耐壓能力有限。流體軟管組件的結構形式主要有喉箍結構、扣壓結構、焊接結構等。焊接結構只能用于部分可焊接的金屬管材，焊接處易產生變形及缺陷，裝配尺寸精度難以保證且外觀質量差。喉箍結構是橡膠類軟管連接的常用方式，使用過程中不易控制橡膠管的壓縮率，喉箍易松脫而發生泄漏?？蹓航Y構外形尺寸小、使用可靠，但需要采用專用設備進行扣壓，且扣壓量的大小直接影響流體軟管組件的性能[2–4]，扣壓不到位會降低流體軟管組件的可靠性，甚至出現漏液，扣壓過量則易造成接頭損傷而留下隱患[5]。

目前此類流體軟管組件主要依賴國外進口且價格昂貴，考慮到產品的國產化要求及降低成本的因素，非常有必要針對該類流體軟管組件開展自主設計。本文介紹了一種使用可靠性高、重量輕的鈦合金流體軟管組件及其制備方法，該軟管組件廣泛適用于電子設備液體冷卻中流體介質的傳輸。

1 鈦合金流體軟管組件的結構

鈦合金流體軟管組件（以下簡稱流體軟管組件）由流體連接器、連接螺母、管接頭、鎖緊套和PTFE金屬軟管組成。

圖1 鈦合金流體軟管組件結構

1.1 材料選擇

流體軟管組件經常受到高溫、高壓的綜合作用，其應用環境和工作條件通常十分惡劣。綜合考慮強度、環境適應性及輕量化設計的要求，管接頭及鎖緊螺母選用鈦合金材料，鎖緊套選用比鈦合金更軟的316L不銹鋼，保證扣壓時鎖緊套優先發生塑性變形。PTFE金屬軟管選用Superflex SS系列超柔軟管，超柔軟管內管為純PTFE材料，外部為304不銹鋼編織網，保證軟管的強度穩定性和良好的抗拉性能。傳統光壁PTFE軟管的柔韌性較低，容易過度彎折而失效。傳統的波紋狀軟管容易產生“湍流”而增加流阻，且容易沉積殘留物，不易清潔。超柔軟管完全解決了以上問題，Superflex SS系列超柔軟管內層PTFE軟管的剖切面內側接近光滑，可以減小流阻，外側為凹凸結構，在扣壓狀態下可以向內凸起，與管接頭倒刺結構匹配，有效提高連接的可靠性。Superflex SS系列超柔軟管還具有重量輕、彎曲半徑小、耐溫范圍寬（-70°C～160°C）、防鹽霧霉菌、全壽命免維護等特點。

目前國內的快速自密封接頭技術還不成熟，同時考慮輕量化要求，因此流體連接器選用STAUBLI鋁潔凈接頭。密封錐面采用鋁合金–鈦合金配合面，具有良好的硬度匹配性，可以形成可靠密封。PTFE金屬軟管的主要型號及指標見表1，流體連接器的主要型號及指標見表2。

表1 Superflex SS系列超柔軟管指標 mm

表2 STAUBLI流體連接器型號及指標

1.2 結構設計

作為流體介質傳輸的關鍵部件，流體軟管組件工作中存在連接處松脫、軟管爆破等諸多潛在風險。流體軟管組件的失效通常會引起液冷系統失效和泄漏，嚴重時泄漏的冷卻液還會燒壞電子設備。因此流體軟管需要滿足工作壓力1.5 MPa下無泄漏、工作溫度-55°C～+70°C的基本技術要求。合理的結構設計是減少流體軟管組件失效的關鍵。

1.2.1 密封錐面設計

流體連接器材質為鋁合金，接口采用標準航標74°±0.1°錐面。管接頭與流體連接器的配合表面為74°±0.1°，結構形式如圖2（a）所示，錐面粗糙度要求達到Ra0.8。為保證管接頭的錐面粗糙度及形狀公差要求，特設計仿形研磨工裝對管接頭進行加工，如圖2（b）所示。研磨后鈦合金管接頭錐面的粗糙度可以達到Ra0.4，如圖2（c）所示。

圖2 鈦合金管接頭錐面

1.2.2 扣壓結構設計

影響流體軟管組件質量的一個關鍵因素是扣壓結構的質量?？蹓航Y構由管接頭、鎖緊套和PTFE金屬軟管連接而成，通過對鎖緊套施壓變形使膠管得到一定的壓縮量，從而保證扣壓結構的密封性并獲得一定的連接強度。管接頭或鎖緊套的結構設計、裝配的扣壓量控制以及軟管的耐壓能力對流體軟管組件的使用性能和壽命都有重要影響，它們保證了流體軟管組件的強度、密封性和穩定性。

（1）管接頭設計

管接頭倒刺的形狀和結構尺寸直接決定軟管扣壓后的密封性能和連接強度。如圖3所示，倒刺結構是管接頭的關鍵，由倒刺間距x、倒刺高度h及頂部圓角R三個要素確定。

圖3 鈦合金管接頭倒刺結構

PTFE軟管的管壁為非均勻的凹凸結構，截面形狀如圖4所示。軟管組件安裝時，管接頭與PTFE軟管內層直接接觸，接觸區可分為引入段和密封段（圖3）。密封段一般有4～6個倒刺，倒刺間距由管壁上凸起的尺寸確定，通常為PTFE軟管凸起寬度的2～4倍。管接頭與PTFE軟管采用過渡配合，軟管內壁基本光滑，保證扣壓前管接頭可以順利插入軟管內部。PTFE軟管的凹凸結構在受到扣壓力時，管徑收縮形成內部突起，與管接頭的倒刺結構形成配合，增強拔脫阻力，提高軟管組件的連接可靠性。根據經驗，倒刺高度h一般取PTFE軟管波紋凸起高度的。倒刺頂部圓角R由PTFE軟管的硬度和軟管內徑決定，一般沒有強制要求，這里取0.2～0.5 mm。

圖4 PTFE軟管截面圖

（2）鎖緊套設計

鎖緊套是流體軟管組件的重要零件之一，鎖緊套覆蓋在PTFE金屬軟管外壁上，起到連接管接頭和PTFE軟管的作用。不同于液壓油管的壓套結構，鎖緊套內壁為光滑表面，不能有凹槽或倒刺結構，以免破壞不銹鋼絲增強層而影響流體軟管組件的耐壓性能和連接強度。鎖緊套的長度一般小于管接頭倒刺結構的長度，這樣可以減小軟管組件裝配后PTFE軟管受到的剪切力，提高軟管組件壽命。圖5為不銹鋼鎖緊套及其與管接頭安裝示意圖。

圖5 不銹鋼鎖緊套及其與管接頭安裝示意圖

2 制作工藝

2.1 工藝流程

鈦合金流體軟管組件制備工藝流程如圖6所示。

圖6 鈦合金流體軟管組件制備工藝流程

2.1.1 齊套

首先齊套PTFE金屬軟管、管接頭、鎖緊套、鎖緊螺母、流體連接器、輔助工具等。

2.1.2 切割軟管

測量需要切割的軟管長度，在切割部位包上2～3圈3M膠帶，防止切割后鋼絲層炸開和鋼絲層不收攏。采用專用的軟管切割機進行切割，切割斷面平整，切割長度應符合需求。切割完成后使用泡沫槍對管路進行清潔，去除多余的鋼絲毛刺、灰塵等多余物。

2.1.3 零件清洗

將管接頭、鎖緊套、鎖緊螺母放入超聲清洗設備內，使用水溶性清潔劑進行超聲清洗20 min，然后通入潔凈的循環水，繼續進行超聲清洗10 min后取出，使用潔凈的高壓空氣吹干零件表面的殘液，確保零件表面無異物、油污、灰塵等。

2.1.4 組裝

將鎖緊套從軟管接頭緩慢穿入至合適位置，然后慢慢將倒刺接頭旋轉插入軟管中，注意軟管必須裝到倒刺接頭的指定位置，否則會影響流體軟管組件的密封效果。

2.1.5 扣壓成型

選擇合適的扣壓模具，模具的選擇標準是模具極限閉合尺寸接近于設計的軟管扣壓直徑。然后將模具裝入扣壓設備中，調整扣壓參數后將軟管組件裝入扣壓設備模具中進行扣壓。

2.1.6 清洗管路

將扣壓成型的軟管組件連接工裝，通入潔凈清水進行清洗，保證流道內無灰塵、碎屑等多余物。

2.1.7 檢驗

扣壓完成后進行檢驗，滿足最小扣壓尺寸≤首檢實測尺寸≤最大扣壓尺寸。

2.2 扣壓參數確定

2.2.1 扣壓量計算

鈦合金流體軟管組件中扣壓結構制備的關鍵在于扣壓量的計算?？蹓毫渴侵高\用扣壓設備對鎖緊套施加徑向力使鎖緊套、PTFE金屬軟管產生徑向變形后，鎖緊套外徑的徑向變形量?？蹓毫窟^大容易導致PTFE金屬軟管及管接頭受損，扣壓量過小易導致扣壓不可靠而引起漏液。

扣壓過程中，軟管組件受到扣壓力的作用，鎖緊套發生彈塑性變形，使鎖緊套、不銹鋼防護網、PTFE軟管和管接頭倒刺結構之間形成緊密配合。理想狀態下，管接頭應不發生變形，整個變形主要是鎖緊套內徑尺寸變小，迫使不銹鋼防護網收縮，擠壓PTFE軟管收縮變形，與管接頭倒刺結構充分接觸。

鈦合金流體軟管組件扣壓量計算的經驗公式為：

式中：T為PTFE軟管厚度（凸起高度+壁厚）；δ為PTFE軟管厚度壓縮率；ds為鎖緊套內徑；Dt為PTFE金屬軟管外徑；dt為PTFE金屬軟管內徑；Dg為鈦合金管接頭外徑；Ds為鎖緊套外徑；μ為不銹鋼鎖緊套壓縮率；f為不銹鋼防護網孔隙收縮率；Dd為不銹鋼防護網厚度。

2.2.2 扣壓量確定流程

扣壓量的計算公式中引入了不銹鋼防護網孔隙收縮率、PTFE軟管厚度壓縮率和不銹鋼鎖緊套壓縮率，可以提高扣壓量的計算精度，但是這些參數需要通過以下試驗過程獲得：

1）根據軟管和接頭的相關結構和尺寸參數綜合分析得到初始的扣壓參數范圍；

2）選取初始扣壓參數范圍內的幾組扣壓數據，分別扣壓軟管組件，做好實測記錄；

3）對扣壓后的軟管組件分別進行耐壓和爆破試驗，并進行剖切分析，做好試驗記錄；

4）根據上述試驗結果和剖切分析結果再次修正扣壓參數；

5）根據重新修正的扣壓參數重復第2～4步；6）按照穩定后的扣壓參數進行扣壓。

通過大量的扣壓及耐壓試驗得出不銹鋼鎖緊套壓縮率μ為95%～98%，不銹鋼防護網孔隙收縮率f為5%～15%，PTFE軟管厚度壓縮率δ的推薦值為40%～50%，代入式（1）即可求得合適的扣壓量。

3 驗證試驗

根據試驗要求，按照工藝參數完成1/4′′、1/2′′和3/4′′通徑的鈦合金流體軟管組件的試制各3組，并進行內徑最小通過量檢測以及氣密性、耐壓、爆破、高低溫試驗等指標驗證。

3.1 內徑最小通過量檢測

該方法是檢測扣壓過程中過度扣壓的有效手段。采用通球實驗法觀察標準的檢測鋼球是否順暢通過管接頭的扣壓部位，判斷管接頭的變形情況是否滿足要求。檢測數據見表3。

表3 鈦合金流體軟管組件內徑通過量檢測

3.2 氣密性與耐壓試驗

對鈦合金流體軟管組件進行氣密性檢驗，如圖7所示。根據設計要求，流體軟管組件的工作壓力為1.5 MPa，因此將流體軟管組件一端與檢測氣源聯通并通入1.5 MPa氣壓，將流體軟管組件浸入水中保壓15 min，結果表明所有試驗流體軟管組件的接頭及扣壓處均無泄漏。在6 MPa氣壓下再次進行耐壓試驗，接頭及扣壓處均無泄漏、變形等異?，F象。

圖7 鈦合金流體軟管組件氣密性檢驗

3.3 爆破試驗

對完成耐壓試驗的流體軟管組件進行爆破試驗，設定保壓壓力為50 MPa。圖8所示為1/4′′鈦合金流體軟管組件的典型爆破壓力曲線。從圖8可以看出，流體軟管組件在壓力達到20 MPa時突然發生泄漏，但并未爆破，繼續升壓至26 MPa后，軟管發出巨響，軟管破裂。因此，該鈦合金流體軟管組件的最大承壓為20 MPa。又分別對1/4′′、1/2′′和3/4′′通徑的鈦合金流體軟管組件各進行3組爆破試驗（表4），壓力均在20 MPa以上。

表4 鈦合金流體軟管組件爆破試驗統計表MPa

圖8 1/4′′鈦合金流體軟管組件爆破壓力曲線

3.4 高低溫試驗

對通過了氣密性試驗測試的流體軟管組件按照GJB 360B—2009《電子及電氣元件試驗方法》中相應程序進行高低溫試驗，在-55°C～+70°C工作溫度范圍的極限溫度下各保持1 h，流體軟管組件無泄漏。

4 結束語

本文針對產品中液體冷卻系統的管路連接，設計了一種輕量、可靠性高、耐高壓、耐腐蝕的鈦合金流體軟管組件，并對其制備工藝進行了系統研究。對鈦合金流體軟管組件的密封設計進行了優化改進，并在制備工藝上通過材料硬度匹配和仿形工裝設計提升了錐面密封性能。提出了一套扣壓量計算方法，為扣壓結構的生產過程提供了理論支持，使得流體軟管組件一致性好、可靠性高。本文可為其他液冷系統中流體軟管組件的設計和制備提供有效的參考。