空調變頻器用銅管組件工藝改進及應用研究

褚衍廷，余雨婷，邱國榮

（1.湖南鐵路科技職業技術學院，湖南 株洲 412006；2.湖南省高鐵運行安全保障工程技術研究中心，湖南 株洲 412006；3.湖南鐵道職業技術學院，湖南 株洲 412006；4.株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412006）

0 引言

管路是空調機組的重要組成部分，制冷設備中一般采用銅作為管路材料，銅管具有重量較輕，導熱性好，低溫強度高，延展性好，耐氧化，喇叭口耐壓性好，不容易泄漏制冷劑等優點。其中，銅管連接質量將直接影響到機組運行的穩定性和可靠性，制冷設備中銅管連接工藝至關重要。制冷設備中銅管連接的常用形式有三種：螺紋連接、焊接連接和法蘭連接。

在制冷系統管路中的螺紋連接通常是采用管接頭與銅鈉子進行連接。管接頭螺紋形式通常為圓錐型外螺紋，銅鈉子螺紋形式常采用圓柱型內螺紋。因為螺紋連接拆卸方便，安裝簡單的特點，通常在制冷設備管路上一些損耗件與銅管的連接上使用，方便管件檢修或更換。銅鈉子與銅管為松套連接，要保證管路密封性，則通過對銅管捺喇叭口，喇叭口尺寸應和接頭螺紋副外密封面吻合，通過帶緊銅鈉子，壓緊喇叭口與密封面，獲得密封效果。但是銅鈉子如果尺寸太大，通常制作起來有一定難度，并且不好保證制作質量，這將影響到管路的密封效果，因此，螺紋連接一般運用在管路尺寸不大的場合，實踐證明外徑Φ20以下的銅管使用螺紋聯接比較適宜[1]。

銅管焊接一般有釬焊、氣焊和鎢極手工電弧焊，其中釬焊和氣焊是制冷設備銅管焊接的常用形式。釬焊時被焊件溫度較低，銅管的金相組織和機械性能變化不大，變形量小，接頭平整光滑。一般使用在不受沖擊，不承受彎曲負荷或只承受較低沖擊、振動負荷的場合[2]。氣焊是借助可燃氣體和助燃氣體混合后燃燒產生的火焰，接頭部位基體和焊絲熔化，達到焊接目的。目前制冷設備管路連接上在不受沖擊，不承受彎曲負荷或只承受較低沖擊、振動負荷的場合還是以釬焊居多，在涉及到管路要承受一定振動或沖擊的情況下可以采用氣焊。

制冷設備上一些銅管管徑較大不適宜用螺紋連接或不適宜直接焊接的情況下可以采用法蘭連接，法蘭連接具有拆裝方便，密封性好的特點，在制冷設備上吸、排氣管徑較大的壓縮機、油分等部件上常可以看到法蘭連接。空調制冷用銅管牌號有T2和TP2，其中T2是含氧較多的銅（0.06%）；TP2為磷脫氧無縫拉制銅管，其含氧量在0.01%以下，現使用中大多采用TP2材料。TP2供應狀態有M（軟）、Y（硬），材料標記方法分別為TP2M、TP2Y。本文提出TP2M材料更適合空調制冷用銅管并通過試驗驗證其優勢[3]。

1 空調變頻器銅管組件質量問題

銅管組件質量問題現象。變頻器冷媒銅管進、出口銅管出廠后存在彎管變形問題（經測量變形后的銅管彎扁率e>1.3（標準為e<1.3），彎扁率計算標準如圖1所示），一方面變形存在較大的內應力，當長時間振動后存在斷裂風險；另一方面變形會影響冷媒的流量[4]。銅管組件變形如圖2所示。

圖1 彎扁率計算標準

圖2 銅管組件變形圖

2 銅管組件質量問題原因

從銅管來料到組裝整個過程進行工藝分析，銅管變形主要和以下環節相關，如圖3所示。

圖3 銅管組件工藝分析

從以上分析可知，銅管變形問題流出原因就是包裹了發泡橡膠，問題產生原因是緊固力矩過大，最大影響因素就是在保壓這個環節。

保壓增加力矩是按照35N.m的緊固力矩緊固后，一次性保壓合格率不足30%。為了保證產品的氣密性，存在部分銅管需增加很大的力矩才能符合銅管保壓試驗要求，此情況就可能導致銅管嚴重變形且扭曲。

經檢測發現氦氣保壓時泄漏點90%都在銅管的喇叭口處，所以銅管喇叭口問題是銅管保壓合格率的主要影響因素。說明銅管的喇叭口質量不符合要求，將T2Y2與TP2M銅管對比分析，如表1所示[5]。

表1 T2Y2與TP2M銅管對比分析表

從表1分析，T2Y2材料和TP2M性能有一定差別，在設計時材料選型未充分識別其可行性，銅管尺寸的技術要求也不完善，需要對比改進。

3 銅管組件工藝改進

3.1 材料選用

TP2-中文名叫“2#磷脫氧銅”，是以磷為脫氧劑的生產的電解銅，含銅國家標準是99.90%，但是熔煉過程中加了0.015%左右的磷，目的主要是提高銅管的焊接性能，主要用于空調焊接多的產品。TP2M只是TP2系列里的一種，第一位T表示銅，第二位P表示磷，第三位2表示2號銅，第4位M表示狀態（一般有以下幾種：TP2M軟態，TP2Y硬態，TP2Y2半硬態）[6]。

T2意義和特性：純銅，雜質較少，有良好的導熱、導電性能，耐腐蝕性。Y2表示半硬態，故T2Y2為半硬態的銅管。

兩者主要區別如表2所示。

表2 TP2M和T2Y2材料對比

在空調變頻器連接管路上銅管需要焊接和彎制，結合以上分析，銅管選用TP2M材料為宜。

3.2 銅管組件加工工藝優化

銅管組件的加工工藝極其重要，結合之前采用的T2Y2材料銅管組件加工工藝方法，優化TP2M材料的加工工藝方法，原T2Y2銅管組件的加工工藝過程如圖4和5所示。

圖5 T2Y2銅管組件加工工藝過程

加工工藝優化：①采用TP2M材料制作銅管組件時，因TP2M材料本身為軟態材料，所以可以直接進行彎管和擴口，無需進行退火工序（退火會使工件工件軟化，在緊固時容易變形）；②采用新型保壓工裝，直接可以與銅管連接，無需先擴喇叭口，所以可以去除氣密性試驗的擴口工序[7]。

4 案例分析

4.1 加工驗證

4.1.1 銅管組件彎扁率檢測

檢測對象：20套銅管組件進行彎扁率檢測；檢測要求：技術要求，組裝前彎扁率e＜1.185，組裝后e＜1.3；彎扁率檢測數據如圖6所示。以節點A、B、C、D對節點E之間絕緣電阻值：

圖6 裝配前彎扁率

圖7 裝配后彎扁率

分析以上數據可知，裝配前按照e＜1.185的標準，合格率為12/20=60%；裝配后按照e＜1.3的標準，合格率為100%。

4.1.2 擴口效果檢測

（1）T2Y2制作的喇叭口3D掃描分析。將T2Y2制作的喇叭口銅管喇叭口外形通過3D掃描和理論模型進行對比分析，得出喇叭口內最大偏差凹陷0.26mm（喇叭口加工不平整），掃描結果如圖8所示。

圖8 T2Y2制作的喇叭口3D掃描色譜圖

（2）TP2M制作的喇叭口3D掃描分析。將TP2M制作的喇叭口銅管喇叭口外形通過3D掃描和理論模型進行對比分析，得出喇叭口內最大偏差凹陷0.1mm，掃描結果如圖9所示。

圖9 TP2M制作的喇叭口3D掃描色譜圖

4.2 氦氣保壓試驗

氦氣保壓試驗是驗證銅管組件加工質量是否合格的最直觀表現，保壓技術要求如下：

（1）壓力合格判據：20bar氣壓3小時后壓降在2bar內；

（2）檢漏試驗的合格標準：測量的最大氦氣泄漏量≤5.0×10-7Pam3/S（即設定好該報警值的檢漏儀不會報警）。

根據試驗結果可以確定，銅管組件一次保壓合格率為90%，銅管組件二次保壓合格率為100%，相對于T2Y2銅管組件保壓性能明顯提高很多，保壓實驗如圖10所示。

圖10 保壓試驗

5 結語

本文通過TP2M銅管組件的加工驗證和應用驗證可知，20套TP2M銅管組件的一次保壓合格率為90%，銅管組件二次保壓合格率為100%，正常情況下的銅管組件一次緊固35N.m后即可達到保壓要求，且緊固后不存在銅管彎管處變形的情況。相于T2Y2銅管組件一次保壓合格率僅有30%，采用TP2M材料的優勢非常明顯。