新型铜铝制冷管路结构设计及其制备工艺技术研究报告

青岛市海青机械总厂、中国海洋大学、青岛海津焊接科技有限公司技术研究报告2005-10-251鉴定会资料三新型铜铝制冷管路结构设计及其制备工艺技术研究报告青岛市海青机械总厂中国海洋大学青岛海津焊接科技有限公司2005年10月25日PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion青岛市海青机械总厂、中国海洋大学、青岛海津焊接科技有限公司技术研究报告2005-10-252新型铜铝制冷管路结构设计及其制备工艺----技术研究报告新型铜铝制冷管路结构设计及其制备工艺是为了解决冰箱产品中铜铝管焊接接头渗漏难题及降低制冷管路的成本而提出，在冰箱、空调的铝管代替铜管的过程中起了关键性的作用，为冰箱、空调器生产企业提供了有效的服务。本项新技术以铜铝铜管路系统代替铜管管路系统，并针对其制造设备、工艺、焊接方法与材料进行了创新研究。这里，我介绍制冷管路系统铜铝管结构新技术的研究过程。一、项目概述：制冷就是指用人工方法在一定的时间和空间内将某物体或流体冷却，使其温度降到环境温度以下，并保持这个温度。制冷的历史非常悠久，第一台制冷机诞生于1834年，是美国的发明家波尔金斯（Perkins）发明的。制冷的方法多种多样，如蒸汽压缩式制冷、蒸汽吸收式制冷、蒸汽喷射式制冷、吸附式制冷、热电制冷、磁制冷、涡流管制冷、空气膨胀制冷等十几种制冷方法。我们现在生产的冰箱，空调用的都是蒸汽压缩式制冷。通常采用碳氢化合物制冷剂，本身是一种无腐蚀的物质。制冷剂与水发生反应后，反应物对金属有腐蚀性，在生产中对制冷管路系统严格控制了水份含量，在这个环境下制冷剂对对金属的腐蚀倾向可以忽略不计，在实际生产过程中也证明了这一点。蒸汽压缩式制冷系统由以下几个主要部件组成：压缩机、冷凝器、毛细管、蒸发器，各部件由管路连接，冰箱制冷管路原理见图1，基本上由金属管路构成，因此称制冷管路。无论产品规格大小如何，都包括以上几个部分，冰箱制冷系统按照内部制冷剂的压力区域由高到低排列依次为：压缩机高压腔、冷凝器、毛细管、蒸发器、压缩机低PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion青岛市海青机械总厂、中国海洋大学、青岛海津焊接科技有限公司技术研究报告2005-10-253压腔，各部件均由制冷管路构成，通过可靠的方法连接构成制冷剂回路，在循环过程中制冷剂在管路系统中某一位置的压力是固定的，压力范围0-0.3Mpa。制冷剂的渗透性能非常强,任何漏量达到0.5g/年以上的微小的缺陷都会导致产品不制冷。产品对制冷管路系统材料选择主要考虑以下几点:热传导性、钎焊性能、弯曲性能、腐蚀性能、洁净度等。目前，蒸汽压缩式制冷系统（尤其是空调器）消耗了大量的铜管，不符合节约型社会的宏观经济要求，铝管除钎焊性能明显不如铜管外，其他性能与铜管相似，为实现铝管代替铜管降低成本的目的，研究解决新型铜铝制冷管路结构设计及其制备工艺是十分迫切和必须的。制冷剂在系统中不断进行液态和气态的转换，从而达到吸收和释放热量的目的。压缩机从蒸发器中抽取气态的制冷剂，抽得越快，压力就越低，这说明制冷量不仅与制冷剂的循环速度（单位时间内制冷剂的蒸发量）有关，而且与制冷剂的容量有关，显而易见，如果系统中的制冷剂不足，制冷效果将受到影响，甚至产品不制冷。如果在使用中出现由于管路系统缺陷或接点缺陷导致制冷剂渗漏，缺陷又不可能自愈，即漏掉的制冷剂无法再生，只能通过维修的方式进行补救，对用户而言该产品就是不合格品。图1.1直冷式冰箱管路系统简图PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion青岛市海青机械总厂、中国海洋大学、青岛海津焊接科技有限公司技术研究报告2005-10-254A.冷藏蒸发器.B.铜-铝管接头.C.毛细管.D.冷冻蒸发器.E.干燥过滤器.F.压缩机.G.除露管.H.冷凝器1.2铝管取代铜管的意义管路系统必须由良好导热性能的材料构成，如普通家用分体式空调器的铜管消耗量5KG/台；一台200升容量、冷冻冷藏双室冰箱，制冷管路总长度接近50米。在制冷系统管路选材时,管路材料需要满足以下要求：热传导系数要高、材料容易弯曲、管路之间的连接方便可靠、材料寿命达到10年以上、材料内表面的洁净度要高、优先使用低成本材料等。制冷管路材料的质量和性能对保证制冷产品的制冷效果、寿命、和成本具有极其重要的影响。铜具有良好的导电、导热、钎接性及耐蚀性，是理想的制冷管路材料，广泛应用于制冷行业的制冷管路系统，随着制冷产业的迅速发展、空调、冰箱产量的迅猛增加（2005年产能分别达到8000万台和3000万台），铜的消耗量越来越大，由于我国是铜资源相对短缺的国家、铜矿资源储藏量不多，远远满足不了社会发展和经济建设的需求。因此，寻找到一种性能相近、价格较低、储藏量丰富的材料代替铜是制冷产品生产中应引起重视的重要问题。铝的导热率接近铜，实验证明铝代替铜做制冷管路可以满足制冷性能的要求。这种替代不仅可以明显的降低制冷设备的制造成本、减轻产品重量，有利于创建节约型社会，并符合国家可持续发展的战略要求，因此，近年来，针对制冷铜铝铜管路系统的制造技术，许多高校、科研院所、企业相继进行了研究并取得了成果。1.3铜-铝连接技术在制冷产品铝代铜中的重要作用在制冷产品制造过程中，铜管在一些制冷管路构件中是不可替代的，如毛细管、空调器阀门等必须采用铜材加工；铜管之间的钎焊性能优越等，如果在制冷管路中使用铝管必然带来铜铝管连接问题。在制冷行业通常采用φ6～22mm，壁厚0.75～1mm的管路规格。一PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion青岛市海青机械总厂、中国海洋大学、青岛海津焊接科技有限公司技术研究报告2005-10-255些大规模的冰箱企业每年需要加工的铜铝接点就达到1000万个以上。铜-铝管接头本身焊接难度很大，主要是两种材料的性能差异较大，如熔点、铝管的表面氧化皮、导热系数不同、容易形成脆性夹杂物。铜-铝管连接的现状是产品质量不符合制冷系统的洁净度和致密性要求，应用范围受到制约。如果不能很好的解决铜铝连接问题，铝管代替铜管就存在质量隐患，就无法真正实现制冷产品生产的低价优质。对新型铜铝制冷管路结构设计及其制备工艺研究具有重要的工程应用价值，必将产生巨大的经济效益。1.4新型铜铝制冷管路结构设计及其制备工艺的质量和工况要求新型铜铝制冷管路结构设计及其制备工艺加工的管路系统要防止制冷剂渗漏和运行过程中管路系统不被堵塞，这是制冷管路的通用要求，如冰箱生产中氯离子、矿物油与无氟制冷剂R134a相遇就会发生反应，反应物会堵塞系统，必须控制系统内颗粒状杂质、矿物油、和氯离子含量，为防止损坏压机阀门，管路加工时内壁不能有易脱落的毛刺和飞溅物；制冷管路通过的是制冷剂，当制冷剂漏掉10%就可导致该冰箱不制冷，因而密封要求相当高，当采用氦质谱捡漏仪对管路系统接点进行致密性检查时，仪表显示漏量低于年泄漏量0.5g/年为合格，同时接头寿命要达到整机寿命10年的要求。因此，我们认为解决铜铝接头漏的问题必须通盘考虑，这个方法必须满足以下要求：1.加工速度满足大批量生产的要求2.加工成本不能高于现有方法3.焊接融合深度要超过5mmPDFcreatedwithpdfFactorytrialversion青岛市海青机械总厂、中国海洋大学、青岛海津焊接科技有限公司技术研究报告2005-10-2564.为防止污染管路内部，不能使用助焊剂。5.为防止产生颗粒状杂质，焊接过程中不能产生尖锐毛刺。二、铜铝管路系统国内外研究现状1.冰箱制冷管路系统铜-铝管连接方法国内外冰箱制冷管路系统从1990年开始应用铝管，铜-铝管连接应用较为普遍的是以下几种方法：a.摩擦焊：在蒸发器中的应用如图2，铝管氩弧焊和铜管钎焊中间的部分是铜-铝管接头。工艺要求铜、铝管的壁厚大于1.25mm，由于采用了对接接头，接头密封面积小，致密性能不易保证，摩擦焊工艺中的顶锻压力在铜-铝管接头的内外表面挤出飞溅物会影响制冷剂的流动，由于焊后必须对管路内外壁进行加工清理,所以只能将铜-铝管接头作成一个过渡接头，然后将这个铜-铝管接头的两端分别焊接到铝管和铜管上。经过从部件到组装的产品上的多道检验发现其渗漏比例大约在3000PPM（0.3%）左右。图2铜-铝管摩擦焊接头应用图3洛克环接头应用b.储能焊：冰箱中应用此方法与摩擦焊相同，焊接后也要求对管路内部进行清洗。经过从部件到产品的多道检验发现其质量接近摩擦焊。由于采用对接接头。焊接接头致密性与采用的管路壁厚相关，同摩擦焊一样储能焊要求管路壁厚大于1.2mm，此时的焊接合格率大约铝管氩弧焊摩擦焊铜管钎焊PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion青岛市海青机械总厂、中国海洋大学、青岛海津焊接科技有限公司技术研究报告2005-10-257在99.7%，在实际选材时，一些企业盲目的追求降成本选择了壁厚达不到工艺要求的管子，管壁越薄，致密性能越差，合格率更低，这对大批量生产来讲是不能接受的。某冰箱厂2003年由于该工艺生产的接头渗漏，导致用户退货，报废冰箱4000余台，造成的直接经济损失达到1200万元。在冰箱蒸发器安装和加工过程中，铜铝接头不可避免地要经受弯曲变形，在焊接面积很小的情况下，容易拉裂。另外，焊接时存在以下问题使这种方法加工的铜铝接头的长度受到限制:1.为防止焊接飞溅，焊接前使用一种专用助焊剂涂抹在管路的内外表面，凉干后才能进行焊接作业，焊接后需要增加清洗工序清理这些残留在工件上的助焊剂，对长管路无法操作。2.瞬间加热和顶锻使得焊接后焊缝的内外表面产生尖锐的飞溅毛刺，焊接后必须逐个清理。c.洛克环密封：一种金属密封连接方法，其工艺为：将洛克环套到铜管上，将铜管插到铝管中，在插管管口加以甲基丙稀酸脂为基本成分的密封液1-2滴，然后用专用设备将洛克环推到接头的铝管上（见图3），使套接的铝管受压产生弹性变形，与内部的铜管紧密接触防止渗漏；密封液的作用是防止在密封面上因划伤或微隙等缺陷导致的渗漏，漏率在1000PPM左右。该工艺方法的成本较高，实践证明，外力对密封效果影响较大，由于社会反馈，尤其是新机出厂的反馈率居高不下，其质量状况已引起越来越多厂家的重视。d.爆炸焊方法连接：连接接头应用方式见图4，因爆炸焊瞬间完成，爆炸热来不及传递到金属材料上，所以是纯粹的冷电阻焊，其特征是压接面呈细波状如图5。该方法生产的接头密封长度达20mm以上，漏率在3.7PPM以下。加工工艺复杂、效率低成本高、增加了铝管-铝管接点。e.电阻焊方法连接：接头连接方式如图6所示，插接接头，解剖PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion青岛市海青机械总厂、中国海洋大学、青岛海津焊接科技有限公司技术研究报告2005-10-258后发现接头焊接熔合长度0.9~1.0，熔合线长度与储能焊、摩擦焊相似，致密性没有大的改善。但由于管路内部不受顶锻力的影响，洁净程度高，不需清理，对比图2和图4可以发现，电阻焊连接的管路系统中没有铝铝焊点，可以在长铝管上直接焊接一段铜管，简化了工艺，减少了焊点数量是其优点，因此，电阻焊是铜铝管焊接的重要方法，但目前从设备、工艺、产品质量、接头结构尚需新的突破，解决漏率问题是关键。图4爆炸焊接头图5爆炸焊剖面图6电阻焊接头2.空调器连接管研究现状和发展趋势考察国内外空调器的材料构成，管路系统全部采用紫铜管，这是由于铜管柔软容易弯曲整形，容易成型；铜管之间是最容易钎焊的管组件；空调器室内外机上阀门是铜的，靠螺帽压紧的机械密封与连机管连接，采用紫铜材料加工连机管不会发生电化学腐蚀，但铜管价格昂贵，且我国铜储藏量并不丰富。在空调器中中采用铝管代替铜管具有相当大的降成本空间，如内外机连接管，因此，受到社会各