制冷空调：内螺纹铜管的技术特点及应用

    本文我们将介绍内螺纹铜管的生产加工方式 , 分别从切削加工、滚压成型、胀形加工等方法的原理、工艺流程、参数选择等方面进行论述 , 总结各种加工方式的特点和适用范围。针对内螺纹铜管在焊接装配过程中存在的技术难点 , 提出专门的焊接工艺要求和质量控制措施 , 以确保系统安全可靠运行。             

      

一、内螺纹铜管的优势特点      

       

 

1、强化传热机理      

内螺纹铜管的强化传热机理主要体现在以下三个方面 :  

(1) 扰流强化 : 内螺纹结构破坏了近壁面流体的层流特性 , 引发周期性的流态扰动和二次流 , 强化了流体的湍流掺混 , 减薄了边界层厚度 , 从而大幅提高了对流换热系数 [1] 。  

(2) 旋流效应 : 内螺纹铜管诱导流体产生旋转流动 , 延长了流体在管内的流动路径和停留时间 , 增大了流体与管壁的接触面积 , 强化了热量传递 [2] 。  

(3) 漩涡生成 : 内螺纹铜管在螺纹凹谷处会产生尺度较小的漩涡 , 促进了近壁区流体的掺混和热量扩散 , 提高了局部换热能力 [3] 。  

与光滑铜管相比 , 内螺纹铜管的强化传热机理使其在相同流量下的传热系数可提高 1.5~3 倍 , 大大减小了换热器的体积和投资成本 [4] 。

2、流阻特性分析     

内螺纹铜管在显著强化传热的同时 , 也不可避免地增加了管内的流动阻力。这主要是由于 :  

(1) 螺纹结构增大了管壁的粗糙度 , 引起了更多的摩擦损失 ;  

(2) 流态扰动和旋流效应延长了流体路径 , 消耗了更多的动能 ;  

(3) 局部漩涡的生成阻碍了主流区流体的流动 , 造成额外的压降。  

根据实验研究 , 内螺纹铜管的流阻系数一般是光管的 1.5~2.5 倍 [5] 。因此 , 在实际应用中 , 需要权衡传热强化和流阻增加之间的利弊 , 寻求最佳的技术经济平衡点。

二、内螺纹铜管 应用优势      

       

  内螺纹铜管主要应用于制冷空调系统的换热器   ,   如冷凝器、蒸发器等。  

 

与传统光管相比   ,   其应用优势主要体现在   :  

(1) 传热系数高 : 内螺纹铜管强化传热效果显著 , 在相同工况下可使换热器的传热系数提高 50% 以上 , 从而大幅减小换热器体积 , 节省材料和空间 [6] 。  

(2) 制冷剂分布均匀 : 内螺纹结构有助于气液两相制冷剂的分布和扰动 , 减少了干斑和滑移等不利现象 , 提高了换热器的有效利用率 [7] 。  

(3) 系统效率高 : 采用内螺纹铜管可有效降低换热器进出口的温差 , 减小压缩机耗功 , 提高系统能效比 (EER)5%~10%[8] 。  

(4) 适应性强 : 内螺纹铜管对制冷剂种类的适应性较好 , 在替代 R22 的新型工质中表现出优异的换热特性 , 有利于环保制冷剂的推广应用 [9] 。  

(5) 清洁方便 : 内螺纹铜管的螺旋流动有助于减少水垢、油污等沉积物的附着 , 延长了清洗周期 , 降低了维护成本 [10] 。

三、内螺纹铜管的生产加工方式      

       

 

1、切削加工     

切削加工是一种应用最早、最成熟的内螺纹铜管加工方法。其原理是利用螺纹切削刀具在铜管内表面切削出连续的螺纹槽 , 从而形成螺纹。具体工艺流程为 :  

(1) 铣削倒角 : 在铜管端部铣削出一定角度的倒角 , 便于刀具切入。  

(2) 酸洗除油 : 采用硫酸、盐酸等酸液清洗铜管表面的油污和氧化物。  

(3) 涂润滑油 : 在铜管内壁涂抹切削油 , 减小刀具与铜管的摩擦力。  

(4) 单向拉削 : 沿铜管轴向匀速移动刀具 , 同时旋转铜管 , 完成螺纹的切削。  

(5) 多次切削 : 根据设计要求 , 调整刀具角度和走刀量 , 进行二次或多次切削。  

(6) 清洗检验 : 切削完成后 , 用有机溶剂清洗铜管 , 检查螺纹质量。  

切削加工可获得锐利规则的螺纹 , 加工精度高 , 对螺纹齿型的控制灵活。但切削过程易产生毛刺和应力集中 , 影响铜管强度 ; 且材料去除率高 , 加工效率低 , 生产成本高 [11] 。因此 , 切削加工多用于小批量、异形螺纹铜管或高精度领域。  

切削加工的关键在于刀具的选择和切削参数的优化。常用的螺纹切削刀具有丝锥、丝锥铣刀、螺纹车刀等。刀具材质应选用高速钢或硬质合金 , 以提高耐磨性和断裂韧性。前角、后角等刀具角度的选取要兼顾切削力和刀具强度 , 一般前角为 0°   ,   后角为 10°[12] 。切削速度和走刀量是影响加工效率和表面质量的关键参数 , 低碳钢材质时切削速度宜为 10   m/min,   不锈钢材质时为 50m/min; 粗加工走刀量为 0.2   mm,   精加工为 0.2mm[13] 。

2、滚压成型     

滚压成型是一种近年来应用日益广泛的塑性加工方法。其原理是利用滚轮在铜管内表面滚压 , 通过塑性变形在管壁上形成螺纹。具体包括轧制、挤压、拔拉等多个步骤 :  

(1) 轧制备管 : 将铜管坯在轧机上轧制成尺寸合适的光管。  

(2) 酸洗除油 : 采用酸洗工艺清除铜管表面油污氧化物。  

(3) 涂润滑剂 : 在铜管内外涂抹轧制油 , 减小轧制力。  

(4) 穿入芯轴 : 将带有螺纹型面的芯轴穿入铜管内。  

(5) 轧制成型 : 通过芯轴和定、动轧辊对铜管内壁施加轧制力 , 使其变形填充螺纹型腔。  

(6) 定型拔拉 : 利用定型模具在铜管内拔拉 , 修整螺纹型面。  

(7) 切除毛边 : 将铜管两端毛边切除 , 得到成品管 [14] 。  

滚压成型具有加工效率高、材料利用率高、螺纹表面光滑、残余应力小等优点。且由于是一种冷加工方法 , 铜管的力学性能和耐蚀性能可得到提高 [15] 。但滚压时需较大的轧制力 , 且易在铜管端部产生毛刺。  

滚压成型的关键在于轧辊和芯轴的设计。轧辊数量一般为 2 个或 3 个 , 呈圆周阵列分布。轧辊材质多选用 Cr12MoV 等高硬度、耐磨的合金工具钢。轧辊直径要大于铜管外径的 1.2 倍 , 以减小轧制力。芯轴上应加工出与螺纹型面完全吻合的凹槽 , 材质应选用淬火硬度 HRC60 以上的轴承钢。轧制力的大小直接影响铜管的塑性变形程度 , 应通过有限元仿真和实验测试 , 优选合适的轧制力参数 [16] 。  

3、胀形加工      
胀形加工是一种液压胀形技术 , 通过在铜管内通入高压液体 , 使铜管在胀形模具的约束下塑性变形 , 从而获得内螺纹。具体工艺过程为 :  

(1) 插入芯棒 : 在铜管内插入带有外螺纹的不锈钢或合金钢芯棒。  

(2) 装夹定位 : 将铜管与芯棒装夹在胀形机的下模座上 , 调整好位置。  

(3) 充液加压 : 向铜管与芯棒的环形间隙内通入高压液体 , 并不断升压。  

(4) 等压保压 : 待铜管充分胀形变形后 , 保持恒定的胀形压力一段时间。  

(5) 卸压脱模 : 缓慢卸去胀形压力 , 脱出芯棒和铜管 , 得到胀形件。  

(6) 整形校直 : 必要时采用模具整形和矫直 , 消除胀形变形。  

胀形加工充分利用了液体的各向等压特性 , 使铜管受到均匀的胀形压力 , 可获得表面光滑、残余应力小的内螺纹。相比切削加工 , 胀形加工的材料去除率低 , 生产效率高 ; 相比滚压成型 , 胀形加工的模具通用性好 , 轧制力小 [17] 。胀形加工的缺点是对胀形设备的密封性和承压能力要求较高 , 且铜管的塑性成形性能要好。  

影响胀形加工质量的因素主要有 : 胀形压力、保压时间、芯棒螺纹参数、铜管材质等。胀形压力要大于铜管的屈服强度 , 一般为其 1.2~1.5 倍 , 过低会造成欠胀 , 过高则会引起爆管。保压时间要充分 , 一般为 30s 以上 , 过短会导致回弹变形大。芯棒的螺纹型面要光滑 , 螺纹牙型要规则 , 否则会造成胀形表面粗糙度差 [18] 。铜管的延伸率应大于 35%, 屈强比小于 0.85, 塑性越好 , 胀形效果越理想 [19] 。

四、内螺纹铜管的焊接工艺要求      

       

 

1、焊接方式选择     
内螺纹铜管主要采用钎焊或熔化焊的方式与管接头、管配件等连接。钎焊温度较低 , 接头组织性能变化小 , 残余应力小 , 多用于对接头强度要求较高的场合 ; 熔化焊温度较高 , 热影响区较宽 , 接头组织性能变化大 , 多用于对接头强度要求一般的场合 [20] 。  

钎焊常用的焊料有铜焊料 (BCu93P) 、银焊料 (BAg45CuZnSn) 等 , 熔点在 600~800℃ 之间。熔化焊常用的焊丝有紫铜焊丝 (H62) 、磷脱氧铜焊丝 (Cu-DPP) 等 , 熔点在 1000℃ 以上 [21] 。焊接方法主要有氧 - 乙炔焰钎焊、电阻钎焊、钨极氩弧焊 (GTAW) 、埋弧自动焊 (SAW) 等。

2、焊接质量要求     
内螺纹铜管对焊接接头质量有较高要求 , 需重点关注以下几点 :  

(1) 接头填充 : 焊缝的填充要饱满 , 与母材应平顺过渡 , 不得有焊瘤、咬边等缺陷。  

(2) 焊缝成形 : 焊缝表面应光滑 , 无裂纹、焊穿、夹渣等缺陷 , 焊缝余高应控制在 1mm 以内。  

(3) 接头强度 : 接头的抗拉强度应达到母材强度的 90% 以上 , 焊缝的硬度应与母材接近。  

(4) 气密性 : 焊接接头应具有良好的密封性能 , 在 1.25 倍工作压力下保压 24h, 无渗漏为合格。  

(5) 耐腐蚀性 : 焊缝应具有与母材相当的耐蚀性能 , 在模拟工况试验后 , 焊缝表面不应出现明显的腐蚀痕迹 [22] 。  

3、焊接工艺控制    
为确保内螺纹铜管焊接接头质量 , 需采取以下焊接工艺控制措施 :  

(1) 清洁除油 : 焊接前应用砂纸打磨铜管断口 , 去除氧化层 , 并用丙酮等溶剂除油。  

(2) 装配定位 : 采用管卡、定位架等工装 , 确保铜管端部装配精度 , 避免错边、变形。  

(3) 合理钳工 : 铜管与接头的钳口间隙控制在 0.05   mm,   钳口深度为铜管壁厚的 2 倍。  

(4) 控制热输入 : 根据铜管的尺寸、焊接方式 , 优选焊接电流、电压等参数 , 控制接头的线能量在 10~20J/mm 。  

(5) 规范打底焊 : 采用间断焊、对称焊等方法进行打底 , 焊道宽度应为铜管壁厚的 2~3 倍。  

(6) 严格道间温度 : 多层多道焊时 , 控制道间温度在 150℃ 以下 , 以减小残余应力和变形。  

(7) 后热处理 : 必要时对焊接接头进行退火或正火处理 , 消除残余应力 , 恢复组织性能 [23] 。  

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