鈦合金流體軟管組件的設(shè)計(jì)與工藝*

尹 鵬，端贛來

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京 210039）

引 言

隨著電子設(shè)備向著集成化、大功率、輕量化的方向發(fā)展，產(chǎn)品的散熱要求越來越高，自然冷卻和強(qiáng)迫風(fēng)冷技術(shù)常常難以滿足。液體冷卻由于散熱效率高[1]、噪聲低而逐漸成為解決散熱問題的主要手段，但液體冷卻需要密閉的傳輸通道和液冷源，且存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于路徑復(fù)雜、空間狹窄、需要移動(dòng)以及工作時(shí)需拆卸的液冷系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部常常采用軟管組件連接形成傳輸通道，因此輕量、可靠的流體軟管組件的設(shè)計(jì)制造技術(shù)成為裝備研制的關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前常用的流體軟管組件主要有波紋管、橡膠管、聚四氟乙烯（PTFE）軟管等。不同軟管在應(yīng)用上都存在一定的局限性，波紋管容易腐蝕開裂，橡膠管低溫環(huán)境適應(yīng)性差、容易老化，PTFE軟管耐壓能力有限。流體軟管組件的結(jié)構(gòu)形式主要有喉箍結(jié)構(gòu)、扣壓結(jié)構(gòu)、焊接結(jié)構(gòu)等。焊接結(jié)構(gòu)只能用于部分可焊接的金屬管材，焊接處易產(chǎn)生變形及缺陷，裝配尺寸精度難以保證且外觀質(zhì)量差。喉箍結(jié)構(gòu)是橡膠類軟管連接的常用方式，使用過程中不易控制橡膠管的壓縮率，喉箍易松脫而發(fā)生泄漏。扣壓結(jié)構(gòu)外形尺寸小、使用可靠，但需要采用專用設(shè)備進(jìn)行扣壓，且扣壓量的大小直接影響流體軟管組件的性能[2–4]，扣壓不到位會(huì)降低流體軟管組件的可靠性，甚至出現(xiàn)漏液，扣壓過量則易造成接頭損傷而留下隱患[5]。

目前此類流體軟管組件主要依賴國外進(jìn)口且價(jià)格昂貴，考慮到產(chǎn)品的國產(chǎn)化要求及降低成本的因素，非常有必要針對(duì)該類流體軟管組件開展自主設(shè)計(jì)。本文介紹了一種使用可靠性高、重量輕的鈦合金流體軟管組件及其制備方法，該軟管組件廣泛適用于電子設(shè)備液體冷卻中流體介質(zhì)的傳輸。

1 鈦合金流體軟管組件的結(jié)構(gòu)

鈦合金流體軟管組件（以下簡稱流體軟管組件）由流體連接器、連接螺母、管接頭、鎖緊套和PTFE金屬軟管組成。

圖1 鈦合金流體軟管組件結(jié)構(gòu)

1.1 材料選擇

流體軟管組件經(jīng)常受到高溫、高壓的綜合作用，其應(yīng)用環(huán)境和工作條件通常十分惡劣。綜合考慮強(qiáng)度、環(huán)境適應(yīng)性及輕量化設(shè)計(jì)的要求，管接頭及鎖緊螺母選用鈦合金材料，鎖緊套選用比鈦合金更軟的316L不銹鋼，保證扣壓時(shí)鎖緊套優(yōu)先發(fā)生塑性變形。PTFE金屬軟管選用Superflex SS系列超柔軟管，超柔軟管內(nèi)管為純PTFE材料，外部為304不銹鋼編織網(wǎng)，保證軟管的強(qiáng)度穩(wěn)定性和良好的抗拉性能。傳統(tǒng)光壁PTFE軟管的柔韌性較低，容易過度彎折而失效。傳統(tǒng)的波紋狀軟管容易產(chǎn)生“湍流”而增加流阻，且容易沉積殘留物，不易清潔。超柔軟管完全解決了以上問題，Superflex SS系列超柔軟管內(nèi)層PTFE軟管的剖切面內(nèi)側(cè)接近光滑，可以減小流阻，外側(cè)為凹凸結(jié)構(gòu)，在扣壓狀態(tài)下可以向內(nèi)凸起，與管接頭倒刺結(jié)構(gòu)匹配，有效提高連接的可靠性。Superflex SS系列超柔軟管還具有重量輕、彎曲半徑小、耐溫范圍寬（-70°C～160°C）、防鹽霧霉菌、全壽命免維護(hù)等特點(diǎn)。

目前國內(nèi)的快速自密封接頭技術(shù)還不成熟，同時(shí)考慮輕量化要求，因此流體連接器選用STAUBLI鋁潔凈接頭。密封錐面采用鋁合金–鈦合金配合面，具有良好的硬度匹配性，可以形成可靠密封。PTFE金屬軟管的主要型號(hào)及指標(biāo)見表1，流體連接器的主要型號(hào)及指標(biāo)見表2。

表1 Superflex SS系列超柔軟管指標(biāo) mm

表2 STAUBLI流體連接器型號(hào)及指標(biāo)

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作為流體介質(zhì)傳輸?shù)年P(guān)鍵部件，流體軟管組件工作中存在連接處松脫、軟管爆破等諸多潛在風(fēng)險(xiǎn)。流體軟管組件的失效通常會(huì)引起液冷系統(tǒng)失效和泄漏，嚴(yán)重時(shí)泄漏的冷卻液還會(huì)燒壞電子設(shè)備。因此流體軟管需要滿足工作壓力1.5 MPa下無泄漏、工作溫度-55°C～+70°C的基本技術(shù)要求。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是減少流體軟管組件失效的關(guān)鍵。

1.2.1 密封錐面設(shè)計(jì)

流體連接器材質(zhì)為鋁合金，接口采用標(biāo)準(zhǔn)航標(biāo)74°±0.1°錐面。管接頭與流體連接器的配合表面為74°±0.1°，結(jié)構(gòu)形式如圖2（a）所示，錐面粗糙度要求達(dá)到Ra0.8。為保證管接頭的錐面粗糙度及形狀公差要求，特設(shè)計(jì)仿形研磨工裝對(duì)管接頭進(jìn)行加工，如圖2（b）所示。研磨后鈦合金管接頭錐面的粗糙度可以達(dá)到Ra0.4，如圖2（c）所示。

圖2 鈦合金管接頭錐面

1.2.2 扣壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

影響流體軟管組件質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵因素是扣壓結(jié)構(gòu)的質(zhì)量?？蹓航Y(jié)構(gòu)由管接頭、鎖緊套和PTFE金屬軟管連接而成，通過對(duì)鎖緊套施壓變形使膠管得到一定的壓縮量，從而保證扣壓結(jié)構(gòu)的密封性并獲得一定的連接強(qiáng)度。管接頭或鎖緊套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配的扣壓量控制以及軟管的耐壓能力對(duì)流體軟管組件的使用性能和壽命都有重要影響，它們保證了流體軟管組件的強(qiáng)度、密封性和穩(wěn)定性。

（1）管接頭設(shè)計(jì)

管接頭倒刺的形狀和結(jié)構(gòu)尺寸直接決定軟管扣壓后的密封性能和連接強(qiáng)度。如圖3所示，倒刺結(jié)構(gòu)是管接頭的關(guān)鍵，由倒刺間距x、倒刺高度h及頂部圓角R三個(gè)要素確定。

圖3 鈦合金管接頭倒刺結(jié)構(gòu)

PTFE軟管的管壁為非均勻的凹凸結(jié)構(gòu)，截面形狀如圖4所示。軟管組件安裝時(shí)，管接頭與PTFE軟管內(nèi)層直接接觸，接觸區(qū)可分為引入段和密封段（圖3）。密封段一般有4～6個(gè)倒刺，倒刺間距由管壁上凸起的尺寸確定，通常為PTFE軟管凸起寬度的2～4倍。管接頭與PTFE軟管采用過渡配合，軟管內(nèi)壁基本光滑，保證扣壓前管接頭可以順利插入軟管內(nèi)部。PTFE軟管的凹凸結(jié)構(gòu)在受到扣壓力時(shí)，管徑收縮形成內(nèi)部突起，與管接頭的倒刺結(jié)構(gòu)形成配合，增強(qiáng)拔脫阻力，提高軟管組件的連接可靠性。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，倒刺高度h一般取PTFE軟管波紋凸起高度的。倒刺頂部圓角R由PTFE軟管的硬度和軟管內(nèi)徑?jīng)Q定，一般沒有強(qiáng)制要求，這里取0.2～0.5 mm。

圖4 PTFE軟管截面圖

（2）鎖緊套設(shè)計(jì)

鎖緊套是流體軟管組件的重要零件之一，鎖緊套覆蓋在PTFE金屬軟管外壁上，起到連接管接頭和PTFE軟管的作用。不同于液壓油管的壓套結(jié)構(gòu)，鎖緊套內(nèi)壁為光滑表面，不能有凹槽或倒刺結(jié)構(gòu)，以免破壞不銹鋼絲增強(qiáng)層而影響流體軟管組件的耐壓性能和連接強(qiáng)度。鎖緊套的長度一般小于管接頭倒刺結(jié)構(gòu)的長度，這樣可以減小軟管組件裝配后PTFE軟管受到的剪切力，提高軟管組件壽命。圖5為不銹鋼鎖緊套及其與管接頭安裝示意圖。

圖5 不銹鋼鎖緊套及其與管接頭安裝示意圖

2 制作工藝

2.1 工藝流程

鈦合金流體軟管組件制備工藝流程如圖6所示。

圖6 鈦合金流體軟管組件制備工藝流程

2.1.1 齊套

首先齊套PTFE金屬軟管、管接頭、鎖緊套、鎖緊螺母、流體連接器、輔助工具等。

2.1.2 切割軟管

測(cè)量需要切割的軟管長度，在切割部位包上2～3圈3M膠帶，防止切割后鋼絲層炸開和鋼絲層不收攏。采用專用的軟管切割機(jī)進(jìn)行切割，切割斷面平整，切割長度應(yīng)符合需求。切割完成后使用泡沫槍對(duì)管路進(jìn)行清潔，去除多余的鋼絲毛刺、灰塵等多余物。

2.1.3 零件清洗

將管接頭、鎖緊套、鎖緊螺母放入超聲清洗設(shè)備內(nèi)，使用水溶性清潔劑進(jìn)行超聲清洗20 min，然后通入潔凈的循環(huán)水，繼續(xù)進(jìn)行超聲清洗10 min后取出，使用潔凈的高壓空氣吹干零件表面的殘液，確保零件表面無異物、油污、灰塵等。

2.1.4 組裝

將鎖緊套從軟管接頭緩慢穿入至合適位置，然后慢慢將倒刺接頭旋轉(zhuǎn)插入軟管中，注意軟管必須裝到倒刺接頭的指定位置，否則會(huì)影響流體軟管組件的密封效果。

2.1.5 扣壓成型

選擇合適的扣壓模具，模具的選擇標(biāo)準(zhǔn)是模具極限閉合尺寸接近于設(shè)計(jì)的軟管扣壓直徑。然后將模具裝入扣壓設(shè)備中，調(diào)整扣壓參數(shù)后將軟管組件裝入扣壓設(shè)備模具中進(jìn)行扣壓。

2.1.6 清洗管路

將扣壓成型的軟管組件連接工裝，通入潔凈清水進(jìn)行清洗，保證流道內(nèi)無灰塵、碎屑等多余物。

2.1.7 檢驗(yàn)

扣壓完成后進(jìn)行檢驗(yàn)，滿足最小扣壓尺寸≤首檢實(shí)測(cè)尺寸≤最大扣壓尺寸。

2.2 扣壓參數(shù)確定

2.2.1 扣壓量計(jì)算

鈦合金流體軟管組件中扣壓結(jié)構(gòu)制備的關(guān)鍵在于扣壓量的計(jì)算。扣壓量是指運(yùn)用扣壓設(shè)備對(duì)鎖緊套施加徑向力使鎖緊套、PTFE金屬軟管產(chǎn)生徑向變形后，鎖緊套外徑的徑向變形量?？蹓毫窟^大容易導(dǎo)致PTFE金屬軟管及管接頭受損，扣壓量過小易導(dǎo)致扣壓不可靠而引起漏液。

扣壓過程中，軟管組件受到扣壓力的作用，鎖緊套發(fā)生彈塑性變形，使鎖緊套、不銹鋼防護(hù)網(wǎng)、PTFE軟管和管接頭倒刺結(jié)構(gòu)之間形成緊密配合。理想狀態(tài)下，管接頭應(yīng)不發(fā)生變形，整個(gè)變形主要是鎖緊套內(nèi)徑尺寸變小，迫使不銹鋼防護(hù)網(wǎng)收縮，擠壓PTFE軟管收縮變形，與管接頭倒刺結(jié)構(gòu)充分接觸。

鈦合金流體軟管組件扣壓量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：T為PTFE軟管厚度（凸起高度+壁厚）；δ為PTFE軟管厚度壓縮率；ds為鎖緊套內(nèi)徑；Dt為PTFE金屬軟管外徑；dt為PTFE金屬軟管內(nèi)徑；Dg為鈦合金管接頭外徑；Ds為鎖緊套外徑；μ為不銹鋼鎖緊套壓縮率；f為不銹鋼防護(hù)網(wǎng)孔隙收縮率；Dd為不銹鋼防護(hù)網(wǎng)厚度。

2.2.2 扣壓量確定流程

扣壓量的計(jì)算公式中引入了不銹鋼防護(hù)網(wǎng)孔隙收縮率、PTFE軟管厚度壓縮率和不銹鋼鎖緊套壓縮率，可以提高扣壓量的計(jì)算精度，但是這些參數(shù)需要通過以下試驗(yàn)過程獲得：

1）根據(jù)軟管和接頭的相關(guān)結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)綜合分析得到初始的扣壓參數(shù)范圍；

2）選取初始扣壓參數(shù)范圍內(nèi)的幾組扣壓數(shù)據(jù)，分別扣壓軟管組件，做好實(shí)測(cè)記錄；

3）對(duì)扣壓后的軟管組件分別進(jìn)行耐壓和爆破試驗(yàn)，并進(jìn)行剖切分析，做好試驗(yàn)記錄；

4）根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果和剖切分析結(jié)果再次修正扣壓參數(shù)；

5）根據(jù)重新修正的扣壓參數(shù)重復(fù)第2～4步；6）按照穩(wěn)定后的扣壓參數(shù)進(jìn)行扣壓。

通過大量的扣壓及耐壓試驗(yàn)得出不銹鋼鎖緊套壓縮率μ為95%～98%，不銹鋼防護(hù)網(wǎng)孔隙收縮率f為5%～15%，PTFE軟管厚度壓縮率δ的推薦值為40%～50%，代入式（1）即可求得合適的扣壓量。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)要求，按照工藝參數(shù)完成1/4′′、1/2′′和3/4′′通徑的鈦合金流體軟管組件的試制各3組，并進(jìn)行內(nèi)徑最小通過量檢測(cè)以及氣密性、耐壓、爆破、高低溫試驗(yàn)等指標(biāo)驗(yàn)證。

3.1 內(nèi)徑最小通過量檢測(cè)

該方法是檢測(cè)扣壓過程中過度扣壓的有效手段。采用通球?qū)嶒?yàn)法觀察標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)鋼球是否順暢通過管接頭的扣壓部位，判斷管接頭的變形情況是否滿足要求。檢測(cè)數(shù)據(jù)見表3。

表3 鈦合金流體軟管組件內(nèi)徑通過量檢測(cè)

3.2 氣密性與耐壓試驗(yàn)

對(duì)鈦合金流體軟管組件進(jìn)行氣密性檢驗(yàn)，如圖7所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，流體軟管組件的工作壓力為1.5 MPa，因此將流體軟管組件一端與檢測(cè)氣源聯(lián)通并通入1.5 MPa氣壓，將流體軟管組件浸入水中保壓15 min，結(jié)果表明所有試驗(yàn)流體軟管組件的接頭及扣壓處均無泄漏。在6 MPa氣壓下再次進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，接頭及扣壓處均無泄漏、變形等異常現(xiàn)象。

圖7 鈦合金流體軟管組件氣密性檢驗(yàn)

3.3 爆破試驗(yàn)

對(duì)完成耐壓試驗(yàn)的流體軟管組件進(jìn)行爆破試驗(yàn)，設(shè)定保壓壓力為50 MPa。圖8所示為1/4′′鈦合金流體軟管組件的典型爆破壓力曲線。從圖8可以看出，流體軟管組件在壓力達(dá)到20 MPa時(shí)突然發(fā)生泄漏，但并未爆破，繼續(xù)升壓至26 MPa后，軟管發(fā)出巨響，軟管破裂。因此，該鈦合金流體軟管組件的最大承壓為20 MPa。又分別對(duì)1/4′′、1/2′′和3/4′′通徑的鈦合金流體軟管組件各進(jìn)行3組爆破試驗(yàn)（表4），壓力均在20 MPa以上。

表4 鈦合金流體軟管組件爆破試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表MPa

圖8 1/4′′鈦合金流體軟管組件爆破壓力曲線

3.4 高低溫試驗(yàn)

對(duì)通過了氣密性試驗(yàn)測(cè)試的流體軟管組件按照GJB 360B—2009《電子及電氣元件試驗(yàn)方法》中相應(yīng)程序進(jìn)行高低溫試驗(yàn)，在-55°C～+70°C工作溫度范圍的極限溫度下各保持1 h，流體軟管組件無泄漏。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)產(chǎn)品中液體冷卻系統(tǒng)的管路連接，設(shè)計(jì)了一種輕量、可靠性高、耐高壓、耐腐蝕的鈦合金流體軟管組件，并對(duì)其制備工藝進(jìn)行了系統(tǒng)研究。對(duì)鈦合金流體軟管組件的密封設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，并在制備工藝上通過材料硬度匹配和仿形工裝設(shè)計(jì)提升了錐面密封性能。提出了一套扣壓量計(jì)算方法，為扣壓結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)過程提供了理論支持，使得流體軟管組件一致性好、可靠性高。本文可為其他液冷系統(tǒng)中流體軟管組件的設(shè)計(jì)和制備提供有效的參考。