葉酈峰，萬(wàn)胤明，胡志強(qiáng)，曾延琦，吳 禮，何 強(qiáng)

（1. 江西銅業(yè)加工事業(yè)部，江西 南昌 330096；2. 江西銅業(yè)技術(shù)研究院有限公司，江西 南昌 330096）

Ф5mm TP2內(nèi)螺紋銅管脹管缺陷分析及工藝優(yōu)化

葉酈峰1，萬(wàn)胤明1，胡志強(qiáng)1，曾延琦2，吳 禮2，何 強(qiáng)2

（1. 江西銅業(yè)加工事業(yè)部，江西 南昌 330096；2. 江西銅業(yè)技術(shù)研究院有限公司，江西 南昌 330096）

Ф5mm TP2內(nèi)螺紋銅管在空調(diào)中使用占比逐年增大。采用齒形觀測(cè)、金相組織觀察和力學(xué)性能測(cè)試等手段，分析了Ф5mm TP2內(nèi)螺紋銅管脹管缺陷產(chǎn)生的原因，并對(duì)Ф5mm TP2內(nèi)螺紋銅管進(jìn)行了工藝優(yōu)化試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：收縮不均、擴(kuò)口沿齒裂紋以及折管等缺陷產(chǎn)生的主要原因是成品齒形參數(shù)和力學(xué)性能匹配不佳；優(yōu)化設(shè)計(jì)Ф5mm TP2內(nèi)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(shí)間為33min，在此工藝條件下試生產(chǎn)的樣管，脹管時(shí)未出現(xiàn)收縮不均、擴(kuò)口斜裂和折管缺陷。

內(nèi)螺紋銅管；脹管成形缺陷；收縮率；沿齒裂紋；折管

1 引言

TP2內(nèi)螺紋銅管以其優(yōu)異的換熱性能已成為空調(diào)冷凝器和蒸發(fā)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(nèi)螺紋銅管在空調(diào)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(nèi)螺紋銅管的換熱器相當(dāng)［1-5］。目前，隨著空調(diào)器朝著高效、節(jié)能、環(huán)保、小型化、輕型化方向發(fā)展，以及空調(diào)廠家對(duì)成本降低不斷追求，Ф5mm TP2內(nèi)螺紋銅管成為空調(diào)制冷用銅管更新?lián)Q代的首選產(chǎn)品，在空調(diào)中的使用占比也逐年增大［6-8］。相對(duì)于Ф7mm和Ф9.52mm內(nèi)螺紋銅管，Ф5mm TP2內(nèi)螺紋銅管外徑更小、底壁更薄，最薄底壁僅為0.20mm，它的后續(xù)加工成形性能對(duì)管材齒形參數(shù)、微觀組織狀態(tài)和力學(xué)性能較敏感。因此，空調(diào)廠家在將Ф5mm TP2內(nèi)螺紋銅管制造兩器片時(shí)，特別是脹管成形過(guò)程中，更容易出現(xiàn)收縮不均、擴(kuò)口處沿齒裂紋以及U形處折管等脹管缺陷。

本文以Ф5mm TP2內(nèi)螺紋銅管及其脹管成形為研究對(duì)象，通過(guò)齒形觀測(cè)、金相組織觀察和力學(xué)性能測(cè)試等手段，研究了Ф5mm TP2內(nèi)螺紋銅管脹管成形過(guò)程中，銅管出現(xiàn)收縮不均、擴(kuò)口沿齒裂紋以及U形處折管等脹管缺陷產(chǎn)生的原因，并通過(guò)工藝試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試用結(jié)果統(tǒng)計(jì)等方法對(duì)Ф5mm TP2內(nèi)螺紋銅管進(jìn)行了工藝優(yōu)化。

2 材料與方法

選取出現(xiàn)各類脹管缺陷率較高的Ф5mm TP2內(nèi)螺紋銅管留樣，進(jìn)行齒形觀測(cè)、金相組織觀察和力學(xué)性能測(cè)試，分析脹管缺陷產(chǎn)生原因。根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行工藝試驗(yàn)優(yōu)化內(nèi)螺紋成形模具參數(shù)及成品退火參數(shù)，選取優(yōu)化后工藝進(jìn)行擴(kuò)大試驗(yàn)試制樣品，經(jīng)客戶現(xiàn)場(chǎng)試用并分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果。齒形觀測(cè)和金相組織觀察在基恩士VHX-1000C 3D金相顯微鏡上進(jìn)行，拉伸力學(xué)性能測(cè)試在美特斯Exceed Model E45萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，維氏硬度測(cè)試在意大利AFFRI DM2 D硬度計(jì)上進(jìn)行。

3 結(jié)果與討論

3.1脹管缺陷分析

圖1是脹管后銅管出現(xiàn)收縮不均勻現(xiàn)象，即部分長(zhǎng)U管收縮過(guò)量的現(xiàn)象。由圖可知，圖中箭頭所示的長(zhǎng)U管平行臂在脹管后收縮略有過(guò)量，即平行臂伸出定位板較周圍鄰近的長(zhǎng)U管平行臂略短。而且，由于平行臂收縮過(guò)量，進(jìn)而造成平行臂端部的喇叭口擴(kuò)口量不達(dá)標(biāo)。根據(jù)銅管脹管及其金屬變形原理可知，這種收縮不均勻的現(xiàn)象與管材在脹管過(guò)程中應(yīng)變程度有關(guān)［9-10］。而管材在脹管過(guò)程中應(yīng)變程度與管材的外徑和總壁厚相關(guān)。表1給出的是客戶現(xiàn)場(chǎng)取回的出現(xiàn)收縮不均嚴(yán)重和收縮較均勻的銅管留樣所測(cè)的外徑和總壁厚統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出，收縮不均勻的樣管外徑偏小0.02mm、總壁厚波動(dòng)明顯大，進(jìn)而造成脹管后管材變形率波動(dòng)大，表現(xiàn)為收縮不均勻現(xiàn)象嚴(yán)重。

圖1　脹管后銅管出現(xiàn)收縮不均勻現(xiàn)象

表1　收縮不均勻和均勻銅管其留樣所測(cè)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(xiàn)沿齒斜裂的現(xiàn)象，如圖2中箭頭所示。喇叭口是U形管脹管后隨即用擴(kuò)口模具對(duì)其端部進(jìn)行機(jī)械擴(kuò)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(guān)性最大［11］。表2是客戶現(xiàn)場(chǎng)取回的出現(xiàn)斜裂較多和較少的銅管留樣底壁厚和延伸率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出，出現(xiàn)斜裂較多的銅管，底壁厚度為0.188～0.209mm，處于空調(diào)廠家對(duì)銅管底壁厚要求的下限區(qū)域，而出現(xiàn)斜裂極少的銅管，底壁厚度為0.207～0.221mm，處于空調(diào)廠家對(duì)銅管底壁厚要求的上限區(qū)域，圖3是隨機(jī)選取了沿齒斜裂較多和極少的銅管留樣各1個(gè)所測(cè)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(xiàn)斜裂較多的銅管其它延伸率為45%～48%，小于出現(xiàn)斜裂極少的銅管，表明其塑性較出現(xiàn)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(xiàn)沿齒斜裂現(xiàn)象

表2　沿齒斜裂較多和極少銅管其留樣所測(cè)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(cè)試結(jié)果

圖4給出的是脹管后銅管U形處出現(xiàn)折管現(xiàn)象。由于銅管在脹管過(guò)程中不能承受脹管模具傳遞過(guò)來(lái)的壓力，而導(dǎo)致在銅管受力最大處發(fā)生輕微或嚴(yán)重的折管現(xiàn)象。為此，對(duì)出現(xiàn)折管缺陷較嚴(yán)重和無(wú)折管缺陷的銅管進(jìn)行了大量的拉伸力學(xué)性能測(cè)試和硬度測(cè)試，其結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，無(wú)折管現(xiàn)象的銅管不僅抗拉強(qiáng)度、維氏硬度以均高于折管現(xiàn)象嚴(yán)重的銅管，延伸率也明顯高于折管現(xiàn)象嚴(yán)重的銅管。

圖4　脹管后銅管U形處出現(xiàn)折管現(xiàn)象

表3　脹管后折管嚴(yán)重和無(wú)折管現(xiàn)象留樣的力學(xué)性能

3.2脹管成形性能優(yōu)化

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

另一方面，需對(duì)其成品的力學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化，使其抗拉強(qiáng)度、硬度和延伸率均保持較高狀態(tài)，達(dá)到大幅降低銅管脹管過(guò)程中折管和擴(kuò)口沿齒裂紋缺陷出現(xiàn)的概率。根據(jù)金屬材料強(qiáng)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(qiáng)度，d為晶粒大小，K為常數(shù)，σ屈服強(qiáng)度。可知，控制成品的微觀組織，使其晶粒尺寸更均勻、更細(xì)小是提高材料抗拉強(qiáng)度和提高延伸率最有效途徑之一。因此，對(duì)成品退火工藝進(jìn)行大量?jī)?yōu)化小試試驗(yàn)后，調(diào)整為加熱溫度為480℃和保溫時(shí)間為33min。

根據(jù)以上齒形參數(shù)和成品退火工藝優(yōu)化方案，進(jìn)行了擴(kuò)大試驗(yàn)。圖5優(yōu)化前成品和優(yōu)化后擴(kuò)大試驗(yàn)樣管成品的金相組織圖，可以看出，優(yōu)化后成品的晶粒更均勻、更細(xì)小。表4是成品部分關(guān)鍵齒形參數(shù)和力學(xué)性能，較優(yōu)化前底壁厚度增大，齒高降低，抗拉強(qiáng)度、硬度和延伸率均提高。擴(kuò)大試驗(yàn)樣管在客戶處進(jìn)行了試用，其中脹管收縮不均、擴(kuò)口沿齒斜裂和折管現(xiàn)象均未出現(xiàn)。

圖5　優(yōu)化前后樣管成品金相組織（放大倍數(shù)200X）

表4　優(yōu)化后擴(kuò)大試驗(yàn)樣管成品關(guān)部分形參數(shù)和力學(xué)性能

4 結(jié)論

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

（2）優(yōu)化內(nèi)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(shí)間為33min后，在此工藝條件下試生產(chǎn)的Ф5mm TP2內(nèi)螺紋銅管樣管，脹管時(shí)未出現(xiàn)收縮不均、擴(kuò)口斜裂和折管缺陷。

［1］李紅安， 王世中， 魯長(zhǎng)建， 等. 制冷空調(diào)設(shè)備用銅管的發(fā)展趨勢(shì)［J］.制冷與空調(diào)， 2014（12）:13-16.

［2］張朝暉， 陳敬良， 劉曉紅， 等. 再談中國(guó)制冷空調(diào)行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展［J］. 制冷與空調(diào)， 2014（1）:1-5.

［3］ 李剛，張仙平，朱全志，等. 淺析我國(guó)制冷空調(diào)行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)研究［J］. 橡塑技術(shù)與裝備， 2015（24）:173-174.

［4］尤順義， 張靜， 林燦洪， 等. 小管徑內(nèi)螺紋銅管在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］. 制冷技術(shù)， 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(yōu)化［J］.銅業(yè)工程， 2015（5）:1-4+32.

［6］黎順全， 張智， 徐志亮. 5mm內(nèi)螺紋銅管在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用［A］.中國(guó)家用電器協(xié)會(huì). 2014年中國(guó)家用電器技術(shù)大會(huì)論文集［C］. 中國(guó)家用電器協(xié)會(huì)， 2014:6.

［7］劉占海， 姜業(yè)欣， 馮成桂. 5mm高齒內(nèi)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(qiáng). 空調(diào)制冷用Φ5mm瘦齒大螺旋角內(nèi)螺紋銅管旋壓成形和管內(nèi)換熱性能［J］. 有色金屬工程， 2015（1）:18-21+26.

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

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

［11］熊雙奎， 王順興. 空調(diào)制冷銅管在使用過(guò)程中常出現(xiàn)的問(wèn)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(xué)與基礎(chǔ)［M］. 上海:上海交通大學(xué)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(shù)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)管理。E-mail: gameylf@163.com