Ф5mm TP2内螺纹铜管胀管缺陷分析及工艺优化

叶郦峰，万胤明，胡志强，曾延琦，吴 礼，何 强

（1. 江西铜业加工事业部，江西 南昌 330096；2. 江西铜业技术研究院有限公司，江西 南昌 330096）

Ф5mm TP2内螺纹铜管胀管缺陷分析及工艺优化

叶郦峰1，万胤明1，胡志强1，曾延琦2，吴 礼2，何 强2

（1. 江西铜业加工事业部，江西 南昌 330096；2. 江西铜业技术研究院有限公司，江西 南昌 330096）

Ф5mm TP2内螺纹铜管在空调中使用占比逐年增大。采用齿形观测、金相组织观察和力学性能测试等手段，分析了Ф5mm TP2内螺纹铜管胀管缺陷产生的原因，并对Ф5mm TP2内螺纹铜管进行了工艺优化试验。研究结果表明：收缩不均、扩口沿齿裂纹以及折管等缺陷产生的主要原因是成品齿形参数和力学性能匹配不佳；优化设计Ф5mm TP2内螺纹铜管成形螺纹芯头外径为Ф5.79mm，齿深为0.150mm，成品退火为加热温度为480℃、保温时间为33min，在此工艺条件下试生产的样管，胀管时未出现收缩不均、扩口斜裂和折管缺陷。

内螺纹铜管；胀管成形缺陷；收缩率；沿齿裂纹；折管

1 引言

TP2内螺纹铜管以其优异的换热性能已成为空调冷凝器和蒸发器的主要换热元件。管径小、米克重低、热交换效率高的Ф5mm TP2内螺纹铜管在空调换热器中使用能显著降低冷媒用量和铜管用量，而且它制成的换热器能效比与Ф7mm内螺纹铜管的换热器相当［1-5］。目前，随着空调器朝着高效、节能、环保、小型化、轻型化方向发展，以及空调厂家对成本降低不断追求，Ф5mm TP2内螺纹铜管成为空调制冷用铜管更新换代的首选产品，在空调中的使用占比也逐年增大［6-8］。相对于Ф7mm和Ф9.52mm内螺纹铜管，Ф5mm TP2内螺纹铜管外径更小、底壁更薄，最薄底壁仅为0.20mm，它的后续加工成形性能对管材齿形参数、微观组织状态和力学性能较敏感。因此，空调厂家在将Ф5mm TP2内螺纹铜管制造两器片时，特别是胀管成形过程中，更容易出现收缩不均、扩口处沿齿裂纹以及U形处折管等胀管缺陷。

本文以Ф5mm TP2内螺纹铜管及其胀管成形为研究对象，通过齿形观测、金相组织观察和力学性能测试等手段，研究了Ф5mm TP2内螺纹铜管胀管成形过程中，铜管出现收缩不均、扩口沿齿裂纹以及U形处折管等胀管缺陷产生的原因，并通过工艺试验和现场试用结果统计等方法对Ф5mm TP2内螺纹铜管进行了工艺优化。

2 材料与方法

选取出现各类胀管缺陷率较高的Ф5mm TP2内螺纹铜管留样，进行齿形观测、金相组织观察和力学性能测试，分析胀管缺陷产生原因。根据分析结果进行工艺试验优化内螺纹成形模具参数及成品退火参数，选取优化后工艺进行扩大试验试制样品，经客户现场试用并分析统计结果。齿形观测和金相组织观察在基恩士VHX-1000C 3D金相显微镜上进行，拉伸力学性能测试在美特斯Exceed Model E45万能试验机上进行，维氏硬度测试在意大利AFFRI DM2 D硬度计上进行。

3 结果与讨论

3.1胀管缺陷分析

图1是胀管后铜管出现收缩不均匀现象，即部分长U管收缩过量的现象。由图可知，图中箭头所示的长U管平行臂在胀管后收缩略有过量，即平行臂伸出定位板较周围邻近的长U管平行臂略短。而且，由于平行臂收缩过量，进而造成平行臂端部的喇叭口扩口量不达标。根据铜管胀管及其金属变形原理可知，这种收缩不均匀的现象与管材在胀管过程中应变程度有关［9-10］。而管材在胀管过程中应变程度与管材的外径和总壁厚相关。表1给出的是客户现场取回的出现收缩不均严重和收缩较均匀的铜管留样所测的外径和总壁厚统计结果，可以看出，收缩不均匀的样管外径偏小0.02mm、总壁厚波动明显大，进而造成胀管后管材变形率波动大，表现为收缩不均匀现象严重。

图1　胀管后铜管出现收缩不均匀现象

表1　收缩不均匀和均匀铜管其留样所测外径和总壁厚度

胀管后部分铜管平行臂的端部喇叭口处出现沿齿斜裂的现象，如图2中箭头所示。喇叭口是U形管胀管后随即用扩口模具对其端部进行机械扩口成形，其变形率一般较大。喇叭口处沿齿斜裂与铜管底壁的厚度及铜管塑性相关性最大［11］。表2是客户现场取回的出现斜裂较多和较少的铜管留样底壁厚和延伸率的统计结果，可以看出，出现斜裂较多的铜管，底壁厚度为0.188～0.209mm，处于空调厂家对铜管底壁厚要求的下限区域，而出现斜裂极少的铜管，底壁厚度为0.207～0.221mm，处于空调厂家对铜管底壁厚要求的上限区域，图3是随机选取了沿齿斜裂较多和极少的铜管留样各1个所测的底壁厚度，分别为0.189mm和0.212mm。在塑性方面，由表2可知出现斜裂较多的铜管其它延伸率为45%～48%，小于出现斜裂极少的铜管，表明其塑性较出现斜裂极少的铜管要略微差一些。

图2　胀管后铜管喇叭口处出现沿齿斜裂现象

表2　沿齿斜裂较多和极少铜管其留样所测底壁厚度和延伸率

图3 沿齿斜裂较多和极少的铜管底壁厚度测试结果

图4给出的是胀管后铜管U形处出现折管现象。由于铜管在胀管过程中不能承受胀管模具传递过来的压力，而导致在铜管受力最大处发生轻微或严重的折管现象。为此，对出现折管缺陷较严重和无折管缺陷的铜管进行了大量的拉伸力学性能测试和硬度测试，其结果如表3所示。从表3可以看出，无折管现象的铜管不仅抗拉强度、维氏硬度以均高于折管现象严重的铜管，延伸率也明显高于折管现象严重的铜管。

图4　胀管后铜管U形处出现折管现象

表3　胀管后折管严重和无折管现象留样的力学性能

3.2胀管成形性能优化

由以上胀管缺陷分析，为改善Ф5mm TP2内螺纹铜管胀管成形性能，一方面，需对成品的齿形参数进行优化，即将其外径、底壁厚度分别调整，使其靠近空调厂家要求的上限，同时尽量使齿高接近要求下限，总壁厚度均匀。为此，对Ф5mm TP2内螺纹铜管成形模具参数进行了优化，即Ф5mm TP2内螺纹铜管成形螺纹芯头外径和齿深分别调整为Ф5.79mm和0.150mm，定径模内径调整为5.05mm。

另一方面，需对其成品的力学性能进行优化，使其抗拉强度、硬度和延伸率均保持较高状态，达到大幅降低铜管胀管过程中折管和扩口沿齿裂纹缺陷出现的概率。根据金属材料强度与其晶粒大小的Hall-Petch公式［12］：

σ=σ0+K·d（-1/2）

式中σ0为单晶的屈服强度，d为晶粒大小，K为常数，σ屈服强度。可知，控制成品的微观组织，使其晶粒尺寸更均匀、更细小是提高材料抗拉强度和提高延伸率最有效途径之一。因此，对成品退火工艺进行大量优化小试试验后，调整为加热温度为480℃和保温时间为33min。

根据以上齿形参数和成品退火工艺优化方案，进行了扩大试验。图5优化前成品和优化后扩大试验样管成品的金相组织图，可以看出，优化后成品的晶粒更均匀、更细小。表4是成品部分关键齿形参数和力学性能，较优化前底壁厚度增大，齿高降低，抗拉强度、硬度和延伸率均提高。扩大试验样管在客户处进行了试用，其中胀管收缩不均、扩口沿齿斜裂和折管现象均未出现。

图5　优化前后样管成品金相组织（放大倍数200X）

表4　优化后扩大试验样管成品关部分形参数和力学性能

4 结论

（1）胀管成形过程出现收缩不均、扩口沿齿裂纹以及折管缺陷主要原因是成品齿形参数控制范围不理想，力学性能匹配不佳。

（2）优化内螺纹成形芯头外径为5.79mm，齿深为0.150，成品退火加热温度为480℃、保温时间为33min后，在此工艺条件下试生产的Ф5mm TP2内螺纹铜管样管，胀管时未出现收缩不均、扩口斜裂和折管缺陷。

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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

叶郦峰（1973-），男，江西德兴人，主要从事精密铜管技术开发和生产管理。E-mail: gameylf@163.com