制冷設備洛克環連接強度仿真分析

Simulation analysis on the bonding strength of Lokring Ring in refrigeration equipment

劉顯威 肖肖 陳子雄 劉國虬 李游

1 引言

洛克環是德國福爾康Lokring公司的專利產品，洛克環技術是利用冷擠壓塑性變形原理，其剖面示意見圖1，達到金屬管件（主要為鋁與鋁、鋁與銅、銅與銅、銅與鋼、鋼與鈦）之間的緊密連接，其工藝操作簡單，外觀清潔美觀，無明火對制冷設備冷媒R600a、R290等安全，可靠性高，適用溫度在-50～150℃，設計可承壓力為7MPa，最大檢測壓力28MPa。目前在制冷家電生產中，洛克環連接技術已完全取代傳統的氬弧焊與電阻焊焊接技術[1,2]。

洛克環連接工藝技術可靠性雖然比傳統的氬弧焊與電阻焊要高，其也存在一定的泄露率，正常水平一般為2%左右，影響洛克環連接密封性能主要因素有管路原材料、密封液、壓接設備、工人操作熟練度等，一般金屬圓形管件基本上是擠出成型的，此過程以及后續的運輸，加工過程中難免會在其內外表面生成沿軸線方向的劃痕，劃痕較深時，洛克環徑向壓縮就無法堵住冷媒沿著劃痕泄露，使用密封液通過毛細現象進入內插管與外插管縫隙以及上述的軸向劃痕，固化后可完全封堵泄露通道。壓接設備主要有手工鉗與液壓鉗，液壓鉗壓接效果好，成型穩定；工人操作熟練程度直接影響洛克環連接泄露率[3,4]。

2 研究背景

目前我公司設備冷凝器連接管采用洛克環連接，洛克環材質為Q235，管路原材料為紫銅、現管內徑為定量，銅管壁厚為變量，要求篩選出合適的銅管壁厚，滿足在極限壓力18.6MPa條件下，銅管不發生破裂；在基礎壓力6.3MPa條件下，洛克環連接處不發生冷媒泄露，現在假設密封油合格、壓接設備穩定、工人操作熟練，只考慮管件壁厚對洛克環連接的影響，進行管件壁厚進行篩選，達到成本最優的目的，目前可供選取的銅管壁厚規格有0.6、0.7、0.8、0.9、1.0mm共5種。

3 網格建模

本文采用Hypermesh對洛克環連接模型進行網格建模，先將洛克環、外套管、內插管組件幾何模型導入Hypermesh軟件進行網格建模，導出inp文件在ABAQUS軟件上對邊界條件進行設定，其中洛克環采用非協調C3D8I六面體單元，內插管與外套管均采用S4殼單元，網格模型見圖2，模型中涉及到材料力學性能見表1。分別對18.6MPa與6.3MPa兩種靜壓工況下，進行模擬洛克環連接管路仿真分析。

4 仿真分析結果

在極限靜壓18.6MPa條件，對各規格壁厚銅管進行靜壓仿真分析得到結果如圖3所示。

由圖3與表2結果可知，隨著銅管壁厚的增加，內插管與外套管所受到的最大應力值均呈現下降趨勢，在同一壁厚條件下，外套管所受到最大應力值大于內插管所受最大應力值，內插管最大應力主要在非壓接處，外套管最大應力主要在擴口與非擴口接觸區域。管道壓接處由于有洛克環壓接，內插管與外套管厚度疊加，壓接部分所受最大應力值較小；外套管擴口與非擴口區接觸區域存在厚度差，此處受到應力值最大，實際生產擴口工藝過程中產生拉延也會造成此處管壁較薄，此處在極限靜壓條件下會最先出現開裂，由表1可知Cu的抗拉強度下限值為235MPa，在18.6MPa極限壓力條件下，各規格壁厚銅管最大應力值均未超出Cu抗拉強度下限值，說明在此條件下銅管未發生開裂，但各規格壁厚銅管最大應力值均超過了Cu的屈服極限上限值70MPa，各銅管局部會發生塑性變形，管中冷媒有非常大泄露風險。

圖1 洛克環剖面示意圖

圖2 洛克環連接網格模型剖面示意圖

圖3 極限靜壓18.6MPa條件仿真分析結果

制冷設備正常運行過程中一般不會出現18.6MPa的極限壓力，本公司常取6.3MPa靜壓條件作為實驗測試判定管件是否存在泄露的工況條件，通過ABAQUS軟件對在6.3MPa靜壓條件下各規格壁厚銅管所受應力分析結果如圖4所示。

圖4 6.3MPa靜壓條件分析結果

由圖4與表3結果可知隨著銅管壁厚的增加，內插管與外套管所受到的最大應力值均呈現下降趨勢，在同一壁厚條件下，外套管所受到最大應力值大于內插管所受最大應力值，內插管最大應力主要在非壓接處，外套管最大應力主要在擴口與非擴口接觸區域。其中管壁0.6mm內插管所受最大應力值為53MPa，0.6mm外套管所受最大應力值為63MPa，0.7mm外套管所受最大應力值為54MPa，以上情況均超過Cu屈服強度的下限值50MPa，壁厚為0.6mm與0.7mm的銅管采用洛克環連接均存在一定的泄露風險，建議在此工況條件下，銅管壁厚選擇≥0.8mm。

5 結論

本文未考慮冷媒流動性能以及溫度的影響，從不同規格銅管壁厚篩選出滿足設備正常運行工況6.3MPa洛克環銅管連接不泄露，極端工況18.3MPa銅管不爆裂的壁厚參數，避免盲目選擇管壁尺寸造成較大泄露率或增加設計成本情況，為制冷設備的配管尺寸選擇提供理論參考依據。對制冷設備中洛克環連接工藝進行模擬仿真分析，分析結果如下：

（1）在18.6MPa靜壓工況下，5種壁厚規格銅管均未發生爆裂現象；

（2）在6.3MPa靜壓工況下，壁厚規格為0.6mm、0.7mm兩種規格銅管發生屈服現象，用洛克環連接該規格銅管，冷媒有泄露風險，建議洛克環連接銅管壁厚應大于等于≥0.8mm。

表1 主要材料力學參數[5]

表2 18.6MPa極限靜壓條件下各規格壁厚銅管最大應力值表

表3 6.3MPa靜壓條件下各規格壁厚銅管最大應力值表

參考文獻

[1] 任召峰，孫清典. 洛克環連接工藝規范[J]. 科技創新導報，2009,No28: 228-229.

[2] 趙越等. 冰箱制冷系統銅鋁管的連接方法[J]. 焊接，2003(9): 5-8.

[3] 張金富，王守舜. LOKRING(洛克令)管接頭從航空工業走進制冷工業[J]. 家用電器科技，2000(11): 48-49.

[4] 耿波等. 降低洛克環漏的退化機數[J]. 輕工標準與質量，2005(1):32-38.

[5] GB/T 1527-2006 銅及銅合金拉制管.