銅鋁復(fù)合管與碳鋼管板的脹接及拉脫力試驗(yàn)

楊 標(biāo)，葉畢彬，何 寅，杜勝男

(1.約克〔無錫〕空調(diào)冷凍設(shè)備有限公司 江蘇無錫 214028；2.杭州三花微通道換熱器有限公司 浙江杭州 310018；3.浙江開山壓力容器有限公司 浙江開山 324000；4.哈爾濱東泰環(huán)保鍋爐有限公司 黑龍江哈爾濱 150431)

銅鋁復(fù)合管(ACC管)是一種新型的鋁包銅換熱管，其外側(cè)為防銹鋁合金，具有良好的散熱能力；其內(nèi)側(cè)為無氧銅，具有良好的瞬間吸熱能力；中間為銅鋁冶金結(jié)合層，因此ACC管具有良好的傳熱性能。ACC管主要用來取代或替代純銅管，與純銅管相比，ACC管具有換熱效果好、質(zhì)量輕、制造成本低等特點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛地用于家用空調(diào)及移動式空調(diào)的蒸發(fā)器及冷凝器中。澳大利亞、韓國等的一些外國公司，已經(jīng)將ACC管應(yīng)用到大型的中央空調(diào)及工業(yè)冷凍設(shè)備的管殼式換熱器中[1]。將ACC管用于管殼式換熱器的制造，除考慮ACC管的傳熱性能，還要考慮其工藝性能，特別是ACC管的脹接性能必須得到保證，為此本文進(jìn)行了ACC管與碳鋼管板的脹接接頭的拉脫力試驗(yàn)。

在多數(shù)中央空調(diào)換熱器的制造中，管板材質(zhì)大都為碳鋼，換熱管材質(zhì)一般采用銅管，銅管與管板的連接方式為脹接連接，從銅管的力學(xué)性能可知，其抗拉強(qiáng)度≥200 MPa，斷后伸長率≥50%，硬度≤HB70，這使得銅管有很好的擴(kuò)展性能，而其硬度與碳鋼管板的硬度相差不大，脹后的殘余壓縮應(yīng)力使得脹接接頭有很好的拉脫力，因此銅管的脹接工藝現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟。鋁制換熱管也已被應(yīng)用于換熱器中[2]，鋁制換熱管與碳鋼管板的連接方式一般采用黏接或者插入套管進(jìn)行脹接的方式，這主要與鋁制換熱管的性能有關(guān)，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《鋁及鋁合金拉(軋)制無縫管》(GB/T 6893—2010)，常規(guī)鋁制管的抗拉強(qiáng)度在200 MPa左右，斷后伸長率基本為15%，硬度≤HB60，鋁制換熱管與碳鋼之間的材料性能存在差異，很難保證使用純脹接接頭的密封性能及拉脫性能，而鋁管的斷后伸長率小，會導(dǎo)致可擴(kuò)展性差，脹接后容易開裂。使用純脹接的鋁制換熱管與碳鋼管板的脹接接頭，在運(yùn)輸及使用過程中出現(xiàn)了管頭泄漏的問題[3]，多由脹接管頭拉脫力不夠引起的。

ACC管結(jié)合了銅和鋁的特性，因增加了銅，使得ACC管的斷后伸長率及擴(kuò)口率比鋁管大幅提高，斷后伸長率≥35%，擴(kuò)口率≥50%，故ACC管具有更好的脹接性能。由于將ACC管用于管殼式換熱器的制造在國內(nèi)剛剛起步，對于ACC管與碳鋼管板的脹接工藝性能、脹接拉脫力以及其脹接接頭是否和鋁制換熱管與碳鋼管板的脹接接頭一樣容易脫落，國內(nèi)很少有報道。為了保證ACC管換熱器的制造質(zhì)量，本文進(jìn)行了ACC管與碳鋼管板的脹接接頭的拉脫力試驗(yàn)，以此來驗(yàn)證ACC管的脹接性能。為了更好地驗(yàn)證ACC管的拉脫性能， ACC管與碳鋼管板的脹接方式采用了空調(diào)中銅管和碳鋼管板一樣的脹接方式，即不開槽脹接方式。

1 物料準(zhǔn)備

1.1 管板制作

圖1 拉脫力試驗(yàn)管板

1.2 ACC管準(zhǔn)備

ACC管由江蘇興榮高新科技股份有限公司提供，規(guī)格為Φ19.05 mm×1.0 mm,覆銅厚度為管子壁厚的20%，該管材已被用于各種管殼式換熱器制造。試驗(yàn)用ACC管的規(guī)格尺寸見表1。

表1 試驗(yàn)用ACC管的規(guī)格尺寸

2 拉脫力試樣要求

進(jìn)行拉脫力試驗(yàn)的樣管應(yīng)為非邊緣孔部位[2]，脹接成型后的試樣見圖2，對其中的2#、4#、6#管進(jìn)行拉脫力試驗(yàn)。

圖2 脹接成型示意圖

3 試驗(yàn)過程

3.1 脹前準(zhǔn)備

脹接前，對所有的換熱管及管孔進(jìn)行編號；測量管孔孔徑、管子壁厚、管子內(nèi)徑，并記錄數(shù)據(jù)。管子穿管前，將所有ACC管及管板、管孔清洗干凈[3]。常用的脹管器為三輥?zhàn)赃M(jìn)式脹管器，脹管機(jī)為手持式氣動脹管機(jī)，均由美國Cooper Power Tool公司生產(chǎn)。

3.2 脹接

參照銅管的脹接減薄率，選擇脹接減薄率范圍為5%～9%。根據(jù)鋁和銅的特性，將脹管減薄率限定得較高，按式(1)計算減薄率：

(1)

式中：X——減薄率，%；

Di——脹后管子內(nèi)徑，mm；

δ——管子壁厚，mm；

H——管孔內(nèi)徑，mm。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《熱交換器》(GB/T 151—2014)的要求[4]，脹接長度應(yīng)為管板厚度減去3～50 mm內(nèi)的小值，故脹接長度選擇29 mm。調(diào)節(jié)好脹接長度后，按要求進(jìn)行首孔試脹，得到合格的減薄率后，確定脹接參數(shù)，再進(jìn)行其他管孔的脹接。

脹接完畢后，對管子的脹接部位進(jìn)行內(nèi)部檢查，發(fā)現(xiàn)脹接部位完好，脹接接頭無起皮、皺紋、裂紋、切口、偏斜等缺陷；ACC管的脹接部分與非脹接部分過渡明顯，且過渡區(qū)圓滑，無急劇的棱角，見圖3。

圖3 脹接后端面圖

3.3 拉脫力試驗(yàn)

ACC管的拉脫力試驗(yàn)由江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院無錫分院進(jìn)行檢測，試驗(yàn)機(jī)型號為zwick/roell z600型萬能材料試驗(yàn)機(jī)。

3.4 脹接及拉脫力數(shù)據(jù)

脹接減薄率試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2，ACC管拉脫力試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

由表2可知：管孔的偏差對減薄率的影響并不太大，減薄率無大的波動，且均在合格范圍內(nèi)，數(shù)值均偏向標(biāo)準(zhǔn)范圍的上限值，與試驗(yàn)前的預(yù)期結(jié)果一致。這表明ACC管的脹接性能較好，減薄率能滿足試驗(yàn)要求。

GB/T 151—2014中并沒有ACC管與管板非開槽強(qiáng)度脹接的拉脫力要求，因此試驗(yàn)參照其中7.4.7條款規(guī)定的有色金屬管與管板開槽脹接時的許用拉脫力[q]為3 MPa[4]進(jìn)行考察。在進(jìn)行ACC管與碳鋼管板脹接的拉脫力試驗(yàn)時，ACC管并未從管板中拉脫，而是在管子部分直接拉斷，用拉斷力進(jìn)行計算得到的值遠(yuǎn)大于許用拉脫力3 MPa，說明ACC管與碳鋼管板的脹接拉脫力滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，脹接接頭性能良好。

表2 脹接減薄率試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 ACC管拉脫力試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

試驗(yàn)表明，ACC管與碳鋼管板在不開槽脹接時的脹接減薄率合格，其連接接頭具有很強(qiáng)的拉脫強(qiáng)度，脹后的拉脫力滿足GB/T 151—2014的相關(guān)要求，如采用ACC管，在考慮一定的加工成本時，管板可以不用開槽。經(jīng)過此次試驗(yàn)，為后續(xù)ACC管在換熱器產(chǎn)品制造中的運(yùn)用積累了一定的數(shù)據(jù)，確定了ACC管在換熱器產(chǎn)品制造時采用的脹管和管板的制造方法。此工藝方法的確定，也為ACC管在用于換熱器產(chǎn)品制造時成本的降低提供了依據(jù)。