制冷设备洛克环连接强度仿真分析

Simulation analysis on the bonding strength of Lokring Ring in refrigeration equipment

刘显威 肖肖 陈子雄 刘国虬 李游

1 引言

洛克环是德国福尔康Lokring公司的专利产品，洛克环技术是利用冷挤压塑性变形原理，其剖面示意见图1，达到金属管件（主要为铝与铝、铝与铜、铜与铜、铜与钢、钢与钛）之间的紧密连接，其工艺操作简单，外观清洁美观，无明火对制冷设备冷媒R600a、R290等安全，可靠性高，适用温度在-50～150℃，设计可承压力为7MPa，最大检测压力28MPa。目前在制冷家电生产中，洛克环连接技术已完全取代传统的氩弧焊与电阻焊焊接技术[1,2]。

洛克环连接工艺技术可靠性虽然比传统的氩弧焊与电阻焊要高，其也存在一定的泄露率，正常水平一般为2%左右，影响洛克环连接密封性能主要因素有管路原材料、密封液、压接设备、工人操作熟练度等，一般金属圆形管件基本上是挤出成型的，此过程以及后续的运输，加工过程中难免会在其内外表面生成沿轴线方向的划痕，划痕较深时，洛克环径向压缩就无法堵住冷媒沿着划痕泄露，使用密封液通过毛细现象进入内插管与外插管缝隙以及上述的轴向划痕，固化后可完全封堵泄露通道。压接设备主要有手工钳与液压钳，液压钳压接效果好，成型稳定；工人操作熟练程度直接影响洛克环连接泄露率[3,4]。

2 研究背景

目前我公司设备冷凝器连接管采用洛克环连接，洛克环材质为Q235，管路原材料为紫铜、现管内径为定量，铜管壁厚为变量，要求筛选出合适的铜管壁厚，满足在极限压力18.6MPa条件下，铜管不发生破裂；在基础压力6.3MPa条件下，洛克环连接处不发生冷媒泄露，现在假设密封油合格、压接设备稳定、工人操作熟练，只考虑管件壁厚对洛克环连接的影响，进行管件壁厚进行筛选，达到成本最优的目的，目前可供选取的铜管壁厚规格有0.6、0.7、0.8、0.9、1.0mm共5种。

3 网格建模

本文采用Hypermesh对洛克环连接模型进行网格建模，先将洛克环、外套管、内插管组件几何模型导入Hypermesh软件进行网格建模，导出inp文件在ABAQUS软件上对边界条件进行设定，其中洛克环采用非协调C3D8I六面体单元，内插管与外套管均采用S4壳单元，网格模型见图2，模型中涉及到材料力学性能见表1。分别对18.6MPa与6.3MPa两种静压工况下，进行模拟洛克环连接管路仿真分析。

4 仿真分析结果

在极限静压18.6MPa条件，对各规格壁厚铜管进行静压仿真分析得到结果如图3所示。

由图3与表2结果可知，随着铜管壁厚的增加，内插管与外套管所受到的最大应力值均呈现下降趋势，在同一壁厚条件下，外套管所受到最大应力值大于内插管所受最大应力值，内插管最大应力主要在非压接处，外套管最大应力主要在扩口与非扩口接触区域。管道压接处由于有洛克环压接，内插管与外套管厚度叠加，压接部分所受最大应力值较小；外套管扩口与非扩口区接触区域存在厚度差，此处受到应力值最大，实际生产扩口工艺过程中产生拉延也会造成此处管壁较薄，此处在极限静压条件下会最先出现开裂，由表1可知Cu的抗拉强度下限值为235MPa，在18.6MPa极限压力条件下，各规格壁厚铜管最大应力值均未超出Cu抗拉强度下限值，说明在此条件下铜管未发生开裂，但各规格壁厚铜管最大应力值均超过了Cu的屈服极限上限值70MPa，各铜管局部会发生塑性变形，管中冷媒有非常大泄露风险。

图1 洛克环剖面示意图

图2 洛克环连接网格模型剖面示意图

图3 极限静压18.6MPa条件仿真分析结果

制冷设备正常运行过程中一般不会出现18.6MPa的极限压力，本公司常取6.3MPa静压条件作为实验测试判定管件是否存在泄露的工况条件，通过ABAQUS软件对在6.3MPa静压条件下各规格壁厚铜管所受应力分析结果如图4所示。

图4 6.3MPa静压条件分析结果

由图4与表3结果可知随着铜管壁厚的增加，内插管与外套管所受到的最大应力值均呈现下降趋势，在同一壁厚条件下，外套管所受到最大应力值大于内插管所受最大应力值，内插管最大应力主要在非压接处，外套管最大应力主要在扩口与非扩口接触区域。其中管壁0.6mm内插管所受最大应力值为53MPa，0.6mm外套管所受最大应力值为63MPa，0.7mm外套管所受最大应力值为54MPa，以上情况均超过Cu屈服强度的下限值50MPa，壁厚为0.6mm与0.7mm的铜管采用洛克环连接均存在一定的泄露风险，建议在此工况条件下，铜管壁厚选择≥0.8mm。

5 结论

本文未考虑冷媒流动性能以及温度的影响，从不同规格铜管壁厚筛选出满足设备正常运行工况6.3MPa洛克环铜管连接不泄露，极端工况18.3MPa铜管不爆裂的壁厚参数，避免盲目选择管壁尺寸造成较大泄露率或增加设计成本情况，为制冷设备的配管尺寸选择提供理论参考依据。对制冷设备中洛克环连接工艺进行模拟仿真分析，分析结果如下：

（1）在18.6MPa静压工况下，5种壁厚规格铜管均未发生爆裂现象；

（2）在6.3MPa静压工况下，壁厚规格为0.6mm、0.7mm两种规格铜管发生屈服现象，用洛克环连接该规格铜管，冷媒有泄露风险，建议洛克环连接铜管壁厚应大于等于≥0.8mm。

表1 主要材料力学参数[5]

表2 18.6MPa极限静压条件下各规格壁厚铜管最大应力值表

表3 6.3MPa静压条件下各规格壁厚铜管最大应力值表

参考文献

[1] 任召峰，孙清典. 洛克环连接工艺规范[J]. 科技创新导报，2009,No28: 228-229.

[2] 赵越等. 冰箱制冷系统铜铝管的连接方法[J]. 焊接，2003(9): 5-8.

[3] 张金富，王守舜. LOKRING(洛克令)管接头从航空工业走进制冷工业[J]. 家用电器科技，2000(11): 48-49.

[4] 耿波等. 降低洛克环漏的退化机数[J]. 轻工标准与质量，2005(1):32-38.

[5] GB/T 1527-2006 铜及铜合金拉制管.