矩形銅管折彎工藝探討

王學林 費紹凱 陳海洋 耿夢康 劉文勝

摘? 要：銅鋁復合冷板中，為了追求最佳導熱效果，銅管的截面通常的設計成矩形，但是矩形銅管在折彎中總會出現折彎外管壁拉薄甚至斷裂、截面中間管壁內凹、折彎內側管壁擠壓膨脹等缺陷，為后期埋下質量隱患，難以達到設計要求。因此，本文針對矩形銅管的折彎工藝開展了分析研究，通過折彎前軟化處理、管內灌砂、使用特制折彎工裝等方法，實現了矩形銅管的折彎加工，完美達到設計要求。

關鍵詞：銅管;矩形;折彎

引言：隨著科學技術的發展，電子產品更是飛躍式發展，隨著產品功能越來越多，產品的功率就會越來越大，客戶對產品體積卻要求越來越小，這就導致對產品散熱的效果要求越來越高，在這種的形勢下，傳統的風冷散熱技術已經難以滿足散熱需求，液冷散熱技術正逐步成為未來高功率電子產品的首選散熱方案。其中，在液冷散熱技術中，銅鋁復合式冷板則憑借較高的可靠性和性價比，占據著很高的市場份額，尤其在軍工產品中，銅鋁復合式冷板是中等熱流密度散熱的首選解決方案。

銅鋁復合式冷板結構是將銅質管道埋入鋁板基材后，再機加工成形制成，其中銅質管道作為冷板的核心部件，由銅管折彎后焊接制成。在實際應用中，通常要求銅管所占空間較小，這就要求盡可能的降低銅管高度，為了增加散熱效果，減少流阻，同時盡可能大的截面積，因此銅管的截面通常的設計成扁扁的矩形，但是生產過程中，矩形銅管在折彎中總是出現折彎外管壁拉薄甚至斷裂、截面中間管壁內凹、折彎內側管壁擠壓膨脹撕裂等缺陷，難以達到設計要求，因此，文章針對矩形銅管的折彎工藝開展了研究分析。一、理論分析

通過對銅管折彎過程進行分析得知，銅管在折彎過程中，外側截面受到拉伸，內側截面受到擠壓，產生形變后達到成型目的，因此理論上在截面的內部某一位置上，存在著一個既不拉伸也不壓縮的中間層，在中間層外側的截面組織受到拉應力產生拉伸形變，在中間層內側的截面組織受到壓應力產生壓縮形變。由于銅管截面的長大于寬的特點，導致折彎時無論外側的拉伸變形量，還是內側的壓縮變形量，都要遠大于銅管的壁厚尺寸，因此必須要求管材材質有著較好的延展性，否則就會導致折彎外管壁拉薄甚至斷裂、折彎內側管壁擠壓膨脹撕裂等缺陷，同時由于矩形銅管的中空管狀結構，兩側壁缺乏相應的橫向應力支撐，折彎時，中間層附近兩側管壁同時受到拉伸和壓縮的內應力，從而導致管壁向內凹陷產生缺陷。因此，實現矩形銅管的折彎，需要解決銅管的延展性、內部支撐，然后設計相應的折彎工裝，理論上才可以達到設計要求。

二、工藝實現

針對矩形銅管在折彎中出現的折彎外管壁拉薄甚至斷裂、截面中間管壁內凹、折彎內側管壁擠壓膨脹撕裂等缺陷，工藝上主要通過對銅管進行軟化處理，從而改善銅管的延展性，通過在銅管內灌砂，提供折彎時銅管內部支撐，解決管壁向內凹陷問題，然后設計相應的折彎工裝，實現矩形銅管的折彎加工。

1.銅管軟化處理

銅管通常采用純銅材質，純銅本身有著優良的延展性，因此材質本身應該滿足折彎要求，但是銅管通常通過擠壓成型制成，由于成型工藝的特點，擠壓后的內部晶粒組織畸變，導致銅管成型后存在著一定的加工硬化現象，從而提高了銅管的抗拉強度，降低了銅管的延展性，導致在折彎過程中，由于延展性的降低，導致折彎外管壁拉薄甚至斷裂現象，因此，折彎前需要對銅管進行軟化處理。

純銅常用的熱處理方式為再結晶退火，當溫度超過再結晶溫度時，在原組織晶界處產生新的晶核，由于再結晶晶粒均是細小的等軸晶，從而達到改變晶粒度、消除內應力的效果，恢復材質本身的延展性。經查閱資料，純銅的再結晶溫度為270 ℃，一般來說，變形量越大，金屬的再結晶溫度越低，因此擠壓成型的銅管再結晶溫度范圍為200-280 ℃。在熱處理過程中，為防止“氫病”，特別是含氧量大于0.02%的純銅，退火最好在真空爐中進行[1]。

2.管內灌砂填充

折彎時，兩側管壁同時受到拉伸和壓縮的內應力，從而導致管壁向內凹陷，凹陷后的截面導致流道截面積變小、與基板接觸不充分等影響散熱效果的缺陷，因此無法滿足設計要求。為了解決管壁向內凹陷問題，我們提出了二種方案：（1）銅管內灌砂彎曲法;（2）銅管內灌鉛錫彎曲法。形成類似于實心體進行彎曲成形，達到提供折彎時銅管內部支撐的目的。填充物應具備較好的強度、細膩性，保證填充的充實有效，同時還需要具備較好的流動性和清潔性，確保折彎后易取出不結節，不污染流道，通過實驗，灌鉛錫彎曲法在銅管成型后融化的鉛錫容易殘留在銅管內壁的矩形轉角處，最終選擇了石英砂灌裝。

石英砂是一種堅硬、耐磨、機械強度高、化學性能穩定的硅酸鹽礦物，主要礦物成分為SiO2，石英砂密度為2.2-2.3g/cm3，由于其材質細膩、強度良好，填充效果明顯，折彎后較容易清理，實踐證明，選用120目的石英砂灌裝，折彎處管材表面光滑、過渡順暢、無明顯缺陷。

3.折彎工裝設計

銅管灌砂后，即可進行折彎加工，為了保證折彎后的尺寸精度， 我們設計了矩形銅管的折彎工裝。折彎工裝由固定彎曲模、滑動壓模、壓緊塊組成，其中根據銅管的截面尺寸，在固定彎曲模、滑動壓模中設計有尺寸為銅管截面的寬+0.1mm的凹槽，同時固定彎曲模、滑動壓模配合后的凹槽的徑向間隙尺寸，彎曲時，滑動壓緊模向銅管施加徑向壓力，同時繞固定彎曲模的軸心轉動，在滑動壓緊模的壓力作用下，迫使銅管貼合固定彎曲模凹槽而彎曲形變，達到折彎的目的。

通過這種回轉壓縮彎曲的折彎方式，銅管折彎彎曲變形區完全包裹在滑動壓模與固定彎曲模之間的凹槽內，有效地限制了折彎時的扭曲變形，實踐證明，折彎處管材表面光滑、圓角過渡順暢、無明顯缺陷。

三、結語

矩形銅管折彎是銅鋁復合冷板結構上的關鍵工序，工藝上通過對銅管進行退火軟化處理，改善銅管的延展性，通過在銅管內灌石英砂，解決了折彎時管壁向內凹陷問題，通過設計嵌入槽式的回轉折彎工裝，保證了折彎加工的尺寸精度， 成型后的矩形銅管完美達到了設計要求。

參考文獻：

[1] 韓福海.熱處理工現場操作技能.國防工業出版社，2008.