矩形铜管折弯工艺探讨

王学林 费绍凯 陈海洋 耿梦康 刘文胜

摘  要：铜铝复合冷板中，为了追求最佳导热效果，铜管的截面通常的设计成矩形，但是矩形铜管在折弯中总会出现折弯外管壁拉薄甚至断裂、截面中间管壁内凹、折弯内侧管壁挤压膨胀等缺陷，为后期埋下质量隐患，难以达到设计要求。因此，本文针对矩形铜管的折弯工艺开展了分析研究，通过折弯前软化处理、管内灌砂、使用特制折弯工装等方法，实现了矩形铜管的折弯加工，完美达到设计要求。

关键词：铜管;矩形;折弯

引言：随着科学技术的发展，电子产品更是飞跃式发展，随着产品功能越来越多，产品的功率就会越来越大，客户对产品体积却要求越来越小，这就导致对产品散热的效果要求越来越高，在这种的形势下，传统的风冷散热技术已经难以满足散热需求，液冷散热技术正逐步成为未来高功率电子产品的首选散热方案。其中，在液冷散热技术中，铜铝复合式冷板则凭借较高的可靠性和性价比，占据着很高的市场份额，尤其在军工产品中，铜铝复合式冷板是中等热流密度散热的首选解决方案。

铜铝复合式冷板结构是将铜质管道埋入铝板基材后，再机加工成形制成，其中铜质管道作为冷板的核心部件，由铜管折弯后焊接制成。在实际应用中，通常要求铜管所占空间较小，这就要求尽可能的降低铜管高度，为了增加散热效果，减少流阻，同时尽可能大的截面积，因此铜管的截面通常的设计成扁扁的矩形，但是生产过程中，矩形铜管在折弯中总是出现折弯外管壁拉薄甚至断裂、截面中间管壁内凹、折弯内侧管壁挤压膨胀撕裂等缺陷，难以达到设计要求，因此，文章针对矩形铜管的折弯工艺开展了研究分析。一、理论分析

通过对铜管折弯过程进行分析得知，铜管在折弯过程中，外侧截面受到拉伸，内侧截面受到挤压，产生形变后达到成型目的，因此理论上在截面的内部某一位置上，存在着一个既不拉伸也不压缩的中间层，在中间层外侧的截面组织受到拉应力产生拉伸形变，在中间层内侧的截面组织受到压应力产生压缩形变。由于铜管截面的长大于宽的特点，导致折弯时无论外侧的拉伸变形量，还是内侧的压缩变形量，都要远大于铜管的壁厚尺寸，因此必须要求管材材质有着较好的延展性，否則就会导致折弯外管壁拉薄甚至断裂、折弯内侧管壁挤压膨胀撕裂等缺陷，同时由于矩形铜管的中空管状结构，两侧壁缺乏相应的横向应力支撑，折弯时，中间层附近两侧管壁同时受到拉伸和压缩的内应力，从而导致管壁向内凹陷产生缺陷。因此，实现矩形铜管的折弯，需要解决铜管的延展性、内部支撑，然后设计相应的折弯工装，理论上才可以达到设计要求。

二、工艺实现

针对矩形铜管在折弯中出现的折弯外管壁拉薄甚至断裂、截面中间管壁内凹、折弯内侧管壁挤压膨胀撕裂等缺陷，工艺上主要通过对铜管进行软化处理，从而改善铜管的延展性，通过在铜管内灌砂，提供折弯时铜管内部支撑，解决管壁向内凹陷问题，然后设计相应的折弯工装，实现矩形铜管的折弯加工。

1.铜管软化处理

铜管通常采用纯铜材质，纯铜本身有着优良的延展性，因此材质本身应该满足折弯要求，但是铜管通常通过挤压成型制成，由于成型工艺的特点，挤压后的内部晶粒组织畸变，导致铜管成型后存在着一定的加工硬化现象，从而提高了铜管的抗拉强度，降低了铜管的延展性，导致在折弯过程中，由于延展性的降低，导致折弯外管壁拉薄甚至断裂现象，因此，折弯前需要对铜管进行软化处理。

纯铜常用的热处理方式为再结晶退火，当温度超过再结晶温度时，在原组织晶界处产生新的晶核，由于再结晶晶粒均是细小的等轴晶，从而达到改变晶粒度、消除内应力的效果，恢复材质本身的延展性。经查阅资料，纯铜的再结晶温度为270 ℃，一般来说，变形量越大，金属的再结晶温度越低，因此挤压成型的铜管再结晶温度范围为200-280 ℃。在热处理过程中，为防止“氢病”，特别是含氧量大于0.02%的纯铜，退火最好在真空炉中进行[1]。

2.管内灌砂填充

折弯时，两侧管壁同时受到拉伸和压缩的内应力，从而导致管壁向内凹陷，凹陷后的截面导致流道截面积变小、与基板接触不充分等影响散热效果的缺陷，因此无法满足设计要求。为了解决管壁向内凹陷问题，我们提出了二种方案：（1）铜管内灌砂弯曲法;（2）铜管内灌铅锡弯曲法。形成类似于实心体进行弯曲成形，达到提供折弯时铜管内部支撑的目的。填充物应具备较好的强度、细腻性，保证填充的充实有效，同时还需要具备较好的流动性和清洁性，确保折弯后易取出不结节，不污染流道，通过实验，灌铅锡弯曲法在铜管成型后融化的铅锡容易残留在铜管内壁的矩形转角处，最终选择了石英砂灌装。

石英砂是一种坚硬、耐磨、机械强度高、化学性能稳定的硅酸盐矿物，主要矿物成分为SiO2，石英砂密度为2.2-2.3g/cm3，由于其材质细腻、强度良好，填充效果明显，折弯后较容易清理，实践证明，选用120目的石英砂灌装，折弯处管材表面光滑、过渡顺畅、无明显缺陷。

3.折弯工装设计

铜管灌砂后，即可进行折弯加工，为了保证折弯后的尺寸精度， 我们设计了矩形铜管的折弯工装。折弯工装由固定弯曲模、滑动压模、压紧块组成，其中根据铜管的截面尺寸，在固定弯曲模、滑动压模中设计有尺寸为铜管截面的宽+0.1mm的凹槽，同时固定弯曲模、滑动压模配合后的凹槽的径向间隙尺寸，弯曲时，滑动压紧模向铜管施加径向压力，同时绕固定弯曲模的轴心转动，在滑动压紧模的压力作用下，迫使铜管贴合固定弯曲模凹槽而弯曲形变，达到折弯的目的。

通过这种回转压缩弯曲的折弯方式，铜管折弯弯曲变形区完全包裹在滑动压模与固定弯曲模之间的凹槽内，有效地限制了折弯时的扭曲变形，实践证明，折弯处管材表面光滑、圆角过渡顺畅、无明显缺陷。

三、结语

矩形铜管折弯是铜铝复合冷板结构上的关键工序，工艺上通过对铜管进行退火软化处理，改善铜管的延展性，通过在铜管内灌石英砂，解决了折弯时管壁向内凹陷问题，通过设计嵌入槽式的回转折弯工装，保证了折弯加工的尺寸精度， 成型后的矩形铜管完美达到了设计要求。

参考文献：

[1] 韩福海.热处理工现场操作技能.国防工业出版社，2008.