空调铜管若干问题的讨论（论文）
空调制冷铜管若干问题的讨论
张晓晖
摘要：本文通过对空调制冷用铜管在GB和YS中规定的主要问题进行力学性能、材料特性、清洁要求进行讨论，同时提出了GB和YS中没有规定的几点问题，并且从铜管材料和加工工艺方面对铜管使用中的常见问题进行原因分析。
关键词：铜管GBYS力学性能 材料特性加工工艺
1引言
空调铜管是制冷装置的重要原材料,它主要有两个用途:1、制造换热器设备最常用的蒸发器、冷凝器(俗称“两器”);2、作为连接管道和管组件。不管哪种用途，它都是制冷剂的通道，其作用十分重要。这就要求铜管生产企业提供优质的铜管，另一方面要求空调制冷企业妥善地使用铜管。GB/T17791-1999《空调制冷用无缝铜管》和YS/T440-2001《内螺纹铜管》对铜管的质量作了详细的规定，这些规定与美国的ASTMB280和日本的JISH3300是对应的。本文是从使用铜管的角度，既讨论GB和YS中的主要问题，也讨论GB和YS中没有的有关问题。
2 有关标准(GB、YS等)中规定的有关质量要求
2.1铜管材料牌号和化学成分
2.1.1纯铜的分类和各自特点
空调制冷用铜管牌号有T2和TP2，现多采用TP2。它们都是纯铜，纯铜主要分三大类：1、韧铜：中国牌号T1、T2、T3等，是含氧较多的铜，含氧量分别是0.02% 、0.06% 、0.1% ，其他杂质总含量也较高。2、无氧铜：中国牌号TU1、TU2 ，含氧量极低，分别为0.003% 以下和0.01% 以下。其他杂质总含量也是最低的。3、脱氧铜：其中又主要是磷脱氧铜，中国牌号TP1、TP2 ，其含量0.01%以下，含氧量大大低于韧铜，但比无氧铜高。其含磷量即用磷脱氧后铜中残余的含磷量，控制在一定范围，这表明，磷在这种材料中类似于合金元素的作用。依残余磷含量范围的不同，磷脱氧铜又分为二种，其牌号和成份点如表1所示：
表一
牌号O%P%杂质
总量CU用途
中国(GB)美国(ASTM)日本(JIS)GB5231金龙Q/XT03GB5231金龙Q/XT03%%
TP1DLP(C12100)C1210≤0.010≤0.0030.005-
0.012/≤0.10>99.9电气板带丝
TP2DHP(C12200)C1220≤0.010≤0.0030.013-
0.050.015-
0.04≤0.15>99.85管材
焊接
2.1.2磷脱氧铜的特点
由于如下特点，磷脱氧铜得到更广泛的应用：
(1)它的强度高于无氧铜，这是含有较高磷的结果，而且TP2比TP1强度高;
(2) 它的焊接性优于韧铜与无氧铜，这是由于含的磷在焊接时起自钎剂(焊药)作用，有去除氧化物作用和防止焊接时吸氧;这种优点使它在空调制冷应用中经受焊接的质量大大提高;
(3) 它不会发生氢病。这是由于含氧很低，在还原气氛(H2)下不会发生氢与铜中氧反应形成水蒸汽而造成晶界裂纹。这使它比韧铜得到更广泛的应用，特别是在化工和电子设备中;
(4) 它的抗软化性好。这是由于一定量的磷提高了再结晶温度，使它在被焊接时因为高温加热而降低强度的倾向减少。
2.2 铜管的力学性能
在GB中规定了铜管在不同状态时空白的力学性能，一般有两项指标，即抗拉强度σb和延伸率δ5 。这两项指标首先决定了铜管要满足的使用性能，即铜管应当有足够的强度和韧性，又反映了铜管应用加工过程中的必需的工艺性能，如铜管在经受弯曲、胀管、扩口过程中的可塑成形性。虽然GB中对扩口性能做了规定，但扩口性能只是在工艺性能的一个方面，不能代表全面的工艺性能。
对延伸率δ5要注意具体含义，人们往往笼统地称延伸率δ，其实这是不够准确的，一般延伸率分为δ10和δ5二种，同一种材料其δ10和δ5是不同，δ10是用长试样测定的，δ5是用短试样测定的，同一批材料，其δ10肯定比δ5小，对此在有关GB中规定的很清楚。空调制冷铜管的标准中规定δ5≥40%为合格，但如果试验时按长试样测定，就会出现测出的延伸率低于40%而误以为不合格。
2.3 铜管的晶粒度
这是对铜管金相组织方面的一项要求，它的大小与铜管成分和生产工艺过程有关，晶粒的大小关系到铜管性能。在晶粒问题上要注意二点：1、它与钢铁材料的晶粒衡量标准不同，因为它的晶粒形态与钢铁的形态不同，它的晶粒度是以毫米为单位，而且有专用的标准图谱。2、它受测试操作的影响较大，应当由有经验的金相检验人员按规范的金相试验操作进行，如取样、磨样、浸蚀和金相显微镜观察都要规范、正确，否则就会得出不真实得结果，而导致误判。
2.4 铜管的涡流探伤及标出的伤点
GB规定了铜管必须进行100%的涡流探伤，并规定了校核探伤仪用的样品管上的人工缺陷(通孔)直径，以保证涡流探伤的灵敏度，防止超标的缺陷漏检。这项要求，在重视在线自动化质量控制的铜管厂是能充分保证的，因为涡流探伤仪是装在水平缠绕机上，在精整工序完成的，这种在线涡流探伤保证了管子所有长度都经过涡流检测，是100%的探测。正规的铜管涡流探伤要求标上每盘管(长达1000多米)上的伤点数目，并将伤点部位涂上标记，以使用户在使用中识别出来挑出这段“黑管”。空调制冷企业要对操作工人讲清这一点，预防这种带伤点的管子装到空调制冷装置上。值得注意的是，有伤点的“黑管”并不全部立即在空调制冷装置上暴露，因为有的伤点还不是已经漏通的，但可能在使用一段时间后发展扩大而泄漏。所以，一定要把“黑管”挑处报废。
应当说明，一般涡流探伤仪的检测线圈是固定式，对管子上的纵向缺陷检出灵敏度很低，这些纵向缺陷往往造成扩裂或内漏(对两器用薄壁铜管更为严重)。最先进的涡流探伤仪是旋转线圈，而这种探伤仪投入实用的(在线的)，只有德国和美国进口，价格昂贵，国内铜管厂配备的还不多，因此许多两器加工存在着潜在的泄漏问题。同时，很多铜管厂由于连固定式在线探伤仪都没有或有低水平的，导致空调连接管泄漏增多。
2.5 铜管的清洁度
空调制冷铜管对内壁清洁度要求有很严格的要求，这种高清洁度使空调冰箱厂使用铜管时无需要清洗。特别是替代CFC和HCFC的新型制冷剂HFC的使用，对铜管内壁清洁度要求更为严格，国内外对此还没有统一的标准，各厂家要求差别很大，金龙公司的企标《HFC制冷剂专用铜管(Q/XT03-1999)》规定的指定是比较严格的，具体见表2 。
表2单位：mg/m2
杂质总量残留油份残留水份氯离子石蜡
≤30≤7≤30≤0.2≤0.5
应当说明：1、杂质总量是指固体物质如铜粉、污物，包括了可溶性和不溶性两类杂质，但不包含水分;2、残留油份是指生产铜管所用的润滑油的残余，包括矿物油和非矿物油，即合成油，通过选油、清洗、退火吹扫和精确的检测等工艺控制达到极低的残油含量。
2.6 铜管的外观和表面质量
国际和类似标准中，一般都是要求“表面清洁光亮，不应有影响使用的有害缺陷”。我们理解是：表面包含内外表面;清洁就是不应有油污;有害缺陷就是机械`损伤，包括划伤、碰伤、压伤。这里要特别和大家讨论一下“划伤”和“光亮”。
关于划伤(主要是外表面划伤)大部分是在铜管制造过程中造成的。但是，我们分析原因时多次发现，有一些不是铜管制造中造成的而是在铜管使用中造成，特别是盘管，在放线时，由于放线装置在放出的待弯曲供料的铜管牵引下旋转，装置的转动惯性较大，造成铜管过多的放出(松卷)，在下一次弯管进料动作的猛然牵动下已松了卷的铜管就被猛然拉紧，重新缠紧在盘管上，与下面一层管子接触时发生相互摩擦和碰击，使两段发生相摩擦的管子表面都造成一定长度的划伤。这样，在有节奏的供料牵动作用下，沿管子表面就形成一段一段的划伤。用显微镜对国内外的用户提供的划伤管样的外观特征和内部金相组织特征进行的观察分析也表明不是铜管生产过程中造成的划伤，而是放线过程中造成的。
“光亮”的要求，若是仅从粗糙度角度看，作为精密铜管的空调制冷管专业生产厂家是不难做到的。但若是从表面颜色看，由于铜管在空气中不可避免地要产生不同程度地腐蚀，俗称“氧化”，其颜色的轻重就有个尺度的掌握问题。因之，对铜管的颜色变化做如下讨论：
以金龙公司生产的铜管为例，它是在含氢的还原性高纯N2保护下进行最后退火的，因此退火后的铜管表面被还原的非常洁净，没有丝毫的氧化膜，是纯铜的真实颜色，即很浅的淡黄色。按铜的化学性质必然在干燥的大气中在常温下与氧发生化学氧化，生成Cu2O，但这个过程较缓慢，颜色逐渐变红，正因为这样，很早人们就将纯铜称为红铜或紫铜，相应地把含一定合金元素的铜合金称为黄铜、青铜和白铜。但由于空气往往含有一定的水蒸汽，纯铜害可能在水和氧的共同作用下发生电化学腐蚀，这已不是纯化学氧化，这种电化学腐蚀也称为湿氧化，在腐蚀分类上属于大气腐蚀，这种电化学过程要快得多，原来得淡黄色纯铜表面颜色很快变深，如果空气中含有SO2、H2S、NH3和CO2等工业气体，大气腐蚀就更加剧烈。这就是我们经常看到得铜管变色。有的笼统称之为发黑。其实不都是黑色，往往是红、橙、蓝、绿或其中间过渡色彩，有的很鲜艳。但这些颜色并不完全是腐蚀产物膜得原色，大多是由膜厚度与各色光得波长相近(或成一定比例)时发出的相干光的颜色。美国材料与试验学会(ASTM)公布铜表面膜数据，如表3：
颜色暗褐赤褐紫蓝绿(青)绿黄橙红(赤)
膜厚(纳米)20-3530-4035-4540-5060-8080-100100-120110-150
说明:1纳米(nm)=10埃(A)=0.001微米(μm)
还应说明,凭颜色可能推测膜的厚度,但往往在颜色的观察、理解和描述上发生很大差别，同一个铜管的颜色，不同的人在观察后进行描述时，往往差别较大，这就使推测膜厚进而推测铜管受大气腐蚀而变色的程度也差别较大。由表中所列数据我们可以看出，膜的厚度一般在0.02～0.15μm之间。
实践表明，铜管变色有相当大的比例是在储运过程发生的。特别是铜管的包装破损或被拆除后，其防潮防水的密封件破坏后，发生变色的比例更大。如前所述，铜管变色是铜在潮湿大气中发生的一种大气腐蚀，而且这种电化学过程进行得很快。必须对包装材料含水率和包装车间的环境湿度进行了严格的控制。因此在对铜管的包装防护中提出：1、铜管用户在验收铜管时一定要注意包装的密封性是否完好无损，若是发现在运输过程中已经破损，要立即提出并做好记录以备交涉(当然更要记录淋雨淋水)。2、用户在取样(进行理化性能测试)时，对包装的开启应尽量局部开小口，并在取样后能及时用胶带将开口封严。3、铜管包装尽量不要在使用前过早打开，以减少暴露的空气中的等待使用时间;若已打开而当日不用，最好用塑料袋或塑料布覆盖，特别是在雨季湿热季节和昼夜温差大的情况下更要防护。
3 有关标准(GN、YS等)中规定的有关质量要求
3.1 物理性能和有关力学性能
熔点：1085℃;比重(密度)：8.94g/cm3(20℃);弹性模量(杨氏模量)(E)：10500～13700kgf/mm2(20℃);剪切，模量(G)：3800～4800 kgf/mm2(20℃);泊松系数(υ)0.33～0.35(20℃)。
三种纯铜(T2、TP1、TP2)的高温力学性能(高温短时拉伸强度σb，MPa)见表4。
表4
温度20100200300400500600700800900
T2(退火)215//185/12075503520
TP1(退火)230200176150//////
TP2(退火)240//189168129105473715
TP2的低温力学性能，人们主要是关心其是否有冷脆性，答案是TP2没有冷脆性。因为随着温度的降低，纯铜的抗拉强度σb和延伸率δ不但不降低，反而都提高。但铜管内有水被冻裂是由于水结冰时体积膨胀产生巨大膨胀力造成的，并非铜变脆了。纯铜的疲劳强度(σ-1)(循环次数108)软态约为70MPa，半硬态约为100MPa，硬态约为120MPa。
纯铜的其他室温力学性能如表5。
表5
弹性极限σe(MPa)屈服点σS(MPa)强度极限σb(MPa)延伸率δ5(%)断面收缩率ψ(%)硬度HB(kb/mm2剪切强度σt(MPa)
硬态280～300340～350370～4204～635～45110～130210
软态20～5050～70220～24040～5065～7535～45150
3.2 直管的残余应力测定
残余应力太大，会导致铜管使用中变形，特别是变形导致应力的增加，有可能引起应力腐蚀开裂。测定直管残余应力的方法如下：
取5米长的铜管，测某处(此处做标记)的外径D0，转90°方向沿纵向切开一侧，在铜管冷却到室温时(避免切开时的升温造成的测量误差)，在原测量处(做标记处)测外径D1，则按下式计算：
残余应力σC= Et(1/D0-1/D1)/(1-υ2)(Kgf/mm2)
式中：E——弹性模量(Kgf/mm2)
υ——泊松系数
t——铜管壁厚(mm)
取E = 11200 Kgf/mm2，υ=0.33，则σC =12568.735t(1/D0-1/D1)(Kgf/mm2)
3.3 铜管的耐压性与爆裂性(水压试验)
铜管的耐压性与爆裂性能在空调热交换的铜管标准中没有这项要求，其原因是空调制冷装置的工作压力不高。但许多空调制冷企业仍然对铜管的耐压能力提出质询，特别是在采用代替CFC(氯氟烃)[如R11和R12，对臭氧有明显破坏作用，是当前淘汰的重点。]和HCFC(含氢氯氟烃)的新制冷剂之后，由于使用新型制冷剂的空调制冷装置的压力提高了约50%，许多人就担心铜管的耐压性能是否满足。我们认为空调机在使用HCFC22时，管道工作压力最大为1.5MPa，装置的耐压试验压力是工作压力的1.5倍，即2.25MPa，最大为3MPa，在采用新型制冷剂HFC(如R410A)后，管道工作压力提高到2.25MPa，试验压力提高到4.5MPa。管道压力可以做如下分析：
管道压力 Pb = 2σbt/(D-0.8t)(MPa)
式中： σb——管子材料的抗拉强度(MPa)
t——管子壁厚最小值(对内螺纹管应是其底壁厚)(mm)
D ——管子外径(mm)
水压试验时，计算Pb时所代入的σb不是铜管的实际σb，而是如表6所示。
表6 MPa
状态硬态半硬态软态在不同温度时的σb计算取值
<50℃50～75℃75～125℃125～150℃150～175℃175～200℃
σb635041.23433322821
按上述公式和σb计算出来的Pb称为管子的最大工作压力，水压试验时试验压力应为1.5Pb 。在1.5Pb的压力下管子不发生渗漏或永久变形即为合格。然后继续加压直到管子爆裂，记下此值为P爆。我们也可以按铜管实际抗拉强度σb实代入计算出P爆。如果我们将上式简化为Pb = 2σbt/D(这恰恰是材料力学的纯理论公式)，用此简化公式计算管子的P爆十分方便，其误差也不大。
3.4 铜管弯管中的常见问题(见表7)
表7
内侧起皱外侧开裂管径变形率超标管内表面擦伤
铜管本身原因1、 状态偏软
2、 壁厚不均或偏心
3、 壁厚偏小，内径偏大1、 状态偏硬
2、 壁厚不均或偏心
3、 表面或内部有缺陷
4、 壁厚偏大，内径偏小
5、 铜管表面粗糙1、 状态偏硬或过软
2、 壁厚不均或偏心
3、 退火工艺不当，状态不均铜管原来有擦伤
弯管工艺的原因1、 芯头尺寸偏小
2、 芯头位置偏后
3、 润滑过度
4、 芯头型面不当
5、 夹紧块过松或滑脱
6、 弯曲半径过小1、 芯头尺寸偏大
2、 芯头位置偏前
3、 润滑不足
4、 芯头表面磨损
5、 小弯头弯曲时管内有切削等异物
6、 弯管机夹紧力过大1、 芯头过小或型面不当
2、 芯头位置偏后
3、 模具管槽尺寸配合过大
4、 夹紧块过松
5、 夹紧块与弯轮管夹部位配合不当
6、 弯曲半径过小1、 弯管机调整不当
2、 芯头安装松动
3、 芯头有伤痕
弯管时很艰难没有内侧起皱，对起皱程度的控制大都缺少量的规定，这里推荐一些空调制冷企业的控制办法：起皱数目≤3个，起皱高度≤0.5mm，供参考。至于管径变形率可以通过下式计算：
△Φ=[(Dmax – Dmin)/D] ×100%
式中：Dmax——最大管子外径
Dmin ——最小管子外径
D——铜管公称外径
一般当△Φ≤15% 时判为合格。
3.5 铜管胀扩管中的常见问题(见表8)
两器胀管时不均匀收缩，对扩裂影响很大，因此对于有些产品胀管存在一定难度时可以考虑将胀扩分二步工序进行。
表8
胀管时收缩不均胀不紧扩口开裂
铜管本身原因1、 状态软硬不均
2、 壁厚不均，内螺纹管底壁厚不均，齿高不均
3、 内表面有严重变色膜1、 壁厚偏小，内螺纹管底壁厚小，齿高小1、 性能偏硬
2、 性能不均
3、 壁厚不均或偏心严重
4、 表面或内部有缺陷(压入物、夹杂、折迭、划伤等)
胀扩工艺的原因1、 胀头尺寸不均
2、 胀头磨损
3、 润滑不足、不均1、 胀头直径铜管直径与铝翅片的孔径不匹配
2、 胀头磨损，直径偏小1、 发卡管长度设定偏差
2、 管口切割不平整，有毛刺
3、 无屑下料时切口收缩太大，冷作硬化
4、 管口偏斜
3.8 铜管钎焊中的常见问题
在空调制冷装置生产中，焊接工序很多，其中许多是钎焊，焊料大都采用磷铜，加热方法是气焊火焰。钎焊焊接接头(包括焊缝和其附近的热影响区)的常见问题是泄露，其原因分析见表9。
表9
虚焊溶蚀穿孔过烧穿孔
铜管本身质量原因1、 铜管表面残油过多
2、 铜管表面变色膜太厚//
焊接原因1、 弯管、胀管时的润滑油未去除干净
2、 焊接加热不足，温度较低或加热时间短，焊料与母材界面上未发生相互溶解扩散;有的焊缝未填满焊料;焊接加热时间过长，加热温度过高，致使熔化的焊料液体溶蚀管材母体，使之减薄，甚至穿孔;有的减薄处则在工作受力一定时间后形成开裂。焊缝上方2～5mm处是焊炬火焰集中加热处及补焊处，最易发生严重溶蚀焊接火焰调整不当，使用了氧化焰;错误采用焰心部位集中加热铜管局部，造成局部表面晶粒长大，晶界氧化加粗开裂，甚至晶粒烧损脱落，再严重时就局部熔化穿孔。
除焊接操作中的火焰性质(氧化焰、中性焰、还原焰)，火焰部位(焰心、外焰)，加热部位(管子、焊料)，加热均匀性和加热时间之外，还需要注意焊件组合装配的焊缝间隙大小(铜管件一般为0.05mm～0.15mm)，和焊料的牌号与成份的控制等。特别说明，磷铜焊料不止一种，其成份和特性都有较大差别，若其成份变化，必然引起熔点变化，就应调整火焰大小加热时间等。所以要慎重选用，严格控制，以确保焊接质量完好。
参 考 文 献
1、 GB/T17791-1999《空调制冷用无缝铜管》
2、 YS/T440-2001《内螺纹铜管》
3、 金龙铜业有限公司公司企业标准《HFC制冷剂专用铜管(Q/XT03-1999)》
4、 《中外常用金属材料手册》 陕西科学技术出版社
