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(huán)是德國福爾康Lokring公司的專利產(chǎn)品，洛克環(huán)技術(shù)是利用冷擠壓塑性變形原理，其剖面示意見圖1，達(dá)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(shè)備冷媒R600a、R290等安全，可靠性高，適用溫度在-50～150℃，設(shè)計(jì)可承壓力為7MPa，最大檢測壓力28MPa。目前在制冷家電生產(chǎn)中，洛克環(huán)連接技術(shù)已完全取代傳統(tǒng)的氬弧焊與電阻焊焊接技術(shù)[1,2]。

洛克環(huán)連接工藝技術(shù)可靠性雖然比傳統(tǒng)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(huán)連接密封性能主要因素有管路原材料、密封液、壓接設(shè)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(xù)的運(yùn)輸，加工過程中難免會在其內(nèi)外表面生成沿軸線方向的劃痕，劃痕較深時，洛克環(huán)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(xì)現(xiàn)象進(jìn)入內(nèi)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(shè)備主要有手工鉗與液壓鉗，液壓鉗壓接效果好，成型穩(wěn)定；工人操作熟練程度直接影響洛克環(huán)連接泄露率[3,4]。

2 研究背景

目前我公司設(shè)備冷凝器連接管采用洛克環(huán)連接，洛克環(huán)材質(zhì)為Q235，管路原材料為紫銅、現(xiàn)管內(nèi)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(fā)生破裂；在基礎(chǔ)壓力6.3MPa條件下，洛克環(huán)連接處不發(fā)生冷媒泄露，現(xiàn)在假設(shè)密封油合格、壓接設(shè)備穩(wěn)定、工人操作熟練，只考慮管件壁厚對洛克環(huán)連接的影響，進(jìn)行管件壁厚進(jìn)行篩選，達(dá)到成本最優(yōu)的目的，目前可供選取的銅管壁厚規(guī)格有0.6、0.7、0.8、0.9、1.0mm共5種。

3 網(wǎng)格建模

本文采用Hypermesh對洛克環(huán)連接模型進(jìn)行網(wǎng)格建模，先將洛克環(huán)、外套管、內(nèi)插管組件幾何模型導(dǎo)入Hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格建模，導(dǎo)出inp文件在ABAQUS軟件上對邊界條件進(jìn)行設(shè)定，其中洛克環(huán)采用非協(xié)調(diào)C3D8I六面體單元，內(nèi)插管與外套管均采用S4殼單元，網(wǎng)格模型見圖2，模型中涉及到材料力學(xué)性能見表1。分別對18.6MPa與6.3MPa兩種靜壓工況下，進(jìn)行模擬洛克環(huán)連接管路仿真分析。

4 仿真分析結(jié)果

在極限靜壓18.6MPa條件，對各規(guī)格壁厚銅管進(jìn)行靜壓仿真分析得到結(jié)果如圖3所示。

由圖3與表2結(jié)果可知，隨著銅管壁厚的增加，內(nèi)插管與外套管所受到的最大應(yīng)力值均呈現(xiàn)下降趨勢，在同一壁厚條件下，外套管所受到最大應(yīng)力值大于內(nèi)插管所受最大應(yīng)力值，內(nèi)插管最大應(yīng)力主要在非壓接處，外套管最大應(yīng)力主要在擴(kuò)口與非擴(kuò)口接觸區(qū)域。管道壓接處由于有洛克環(huán)壓接，內(nèi)插管與外套管厚度疊加，壓接部分所受最大應(yīng)力值較小；外套管擴(kuò)口與非擴(kuò)口區(qū)接觸區(qū)域存在厚度差，此處受到應(yīng)力值最大，實(shí)際生產(chǎn)擴(kuò)口工藝過程中產(chǎn)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(xiàn)開裂，由表1可知Cu的抗拉強(qiáng)度下限值為235MPa，在18.6MPa極限壓力條件下，各規(guī)格壁厚銅管最大應(yīng)力值均未超出Cu抗拉強(qiáng)度下限值，說明在此條件下銅管未發(fā)生開裂，但各規(guī)格壁厚銅管最大應(yīng)力值均超過了Cu的屈服極限上限值70MPa，各銅管局部會發(fā)生塑性變形，管中冷媒有非常大泄露風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 洛克環(huán)剖面示意圖

圖2 洛克環(huán)連接網(wǎng)格模型剖面示意圖

圖3 極限靜壓18.6MPa條件仿真分析結(jié)果

制冷設(shè)備正常運(yùn)行過程中一般不會出現(xiàn)18.6MPa的極限壓力，本公司常取6.3MPa靜壓條件作為實(shí)驗(yàn)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(guī)格壁厚銅管所受應(yīng)力分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 6.3MPa靜壓條件分析結(jié)果

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

5 結(jié)論

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

（1）在18.6MPa靜壓工況下，5種壁厚規(guī)格銅管均未發(fā)生爆裂現(xiàn)象；

（2）在6.3MPa靜壓工況下，壁厚規(guī)格為0.6mm、0.7mm兩種規(guī)格銅管發(fā)生屈服現(xiàn)象，用洛克環(huán)連接該規(guī)格銅管，冷媒有泄露風(fēng)險(xiǎn)，建議洛克環(huán)連接銅管壁厚應(yīng)大于等于≥0.8mm。

表1 主要材料力學(xué)參數(shù)[5]

表2 18.6MPa極限靜壓條件下各規(guī)格壁厚銅管最大應(yīng)力值表

表3 6.3MPa靜壓條件下各規(guī)格壁厚銅管最大應(yīng)力值表

參考文獻(xiàn)

[1] 任召峰，孫清典. 洛克環(huán)連接工藝規(guī)范[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009,No28: 228-229.

[2] 趙越等. 冰箱制冷系統(tǒng)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(yè)走進(jìn)制冷工業(yè)[J]. 家用電器科技，2000(11): 48-49.

[4] 耿波等. 降低洛克環(huán)漏的退化機(jī)數(shù)[J]. 輕工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2005(1):32-38.

[5] GB/T 1527-2006 銅及銅合金拉制管.