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，自然冷卻和強迫風冷技術(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，且存在泄漏風險。對于路徑復雜、空間狹窄、需要移動以及工作時需拆卸的液冷系統(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?？蹓航Y(jié)構(gòu)外形尺寸小、使用可靠，但需要采用專用設(shè)備進行扣壓，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口且價格昂貴，考慮到產(chǎn)品的國產(chǎn)化要求及降低成本的因素，非常有必要針對該類流體軟管組件開展自主設(shè)計。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，其應用環(huán)境和工作條件通常十分惡劣。綜合考慮強度、環(huán)境適應性及輕量化設(shè)計的要求，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、全壽命免維護等特點。

目前國內(nèi)的快速自密封接頭技術(shù)還不成熟，同時考慮輕量化要求，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及指標見表1，流體連接器的主要型號及指標見表2。

表1 Superflex SS系列超柔軟管指標 mm

表2 STAUBLI流體連接器型號及指標

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

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險。流體軟管組件的失效通常會引起液冷系統(tǒng)失效和泄漏，嚴重時泄漏的冷卻液還會燒壞電子設(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

流體連接器材質(zhì)為鋁合金，接口采用標準航標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)計仿形研磨工裝對管接頭進行加工，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

影響流體軟管組件質(zhì)量的一個關(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度。管接頭或鎖緊套的結(jié)構(gòu)設(shè)計、裝配的扣壓量控制以及軟管的耐壓能力對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度、密封性和穩(wěn)定性。

（1）管接頭設(shè)計

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，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，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，增強拔脫阻力，提高軟管組件的連接可靠性。根據(jù)經(jīng)驗，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

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層而影響流體軟管組件的耐壓性能和連接強度。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進行切割，切割斷面平整，切割長度應符合需求。切割完成后使用泡沫槍對管路進行清潔，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行超聲清洗20 min，然后通入潔凈的循環(huán)水，繼續(xù)進行超聲清洗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，模具的選擇標準是模具極限閉合尺寸接近于設(shè)計的軟管扣壓直徑。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，通入潔凈清水進行清洗，保證流道內(nèi)無灰塵、碎屑等多余物。

2.1.7 檢驗

扣壓完成后進行檢驗，滿足最小扣壓尺寸≤首檢實測尺寸≤最大扣壓尺寸。

2.2 扣壓參數(shù)確定

2.2.1 扣壓量計算

鈦合金流體軟管組件中扣壓結(jié)構(gòu)制備的關(guān)鍵在于扣壓量的計算?？蹓毫渴侵高\用扣壓設(shè)備對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^大容易導致PTFE金屬軟管及管接頭受損，扣壓量過小易導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，管接頭應不發(fā)生變形，整個變形主要是鎖緊套內(nèi)徑尺寸變小，迫使不銹鋼防護網(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算的經(jīng)驗公式為：

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為不銹鋼防護網(wǎng)孔隙收縮率；Dd為不銹鋼防護網(wǎng)厚度。

2.2.2 扣壓量確定流程

扣壓量的計算公式中引入了不銹鋼防護網(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算精度，但是這些參數(shù)需要通過以下試驗過程獲得：

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，做好實測記錄；

3）對扣壓后的軟管組件分別進行耐壓和爆破試驗，并進行剖切分析，做好試驗記錄；

4）根據(jù)上述試驗結(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)重復第2～4步；6）按照穩(wěn)定后的扣壓參數(shù)進行扣壓。

通過大量的扣壓及耐壓試驗得出不銹鋼鎖緊套壓縮率μ為95%～98%，不銹鋼防護網(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 驗證試驗

根據(jù)試驗要求，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，并進行內(nèi)徑最小通過量檢測以及氣密性、耐壓、爆破、高低溫試驗等指標驗證。

3.1 內(nèi)徑最小通過量檢測

該方法是檢測扣壓過程中過度扣壓的有效手段。采用通球?qū)嶒灧ㄓ^察標準的檢測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

3.2 氣密性與耐壓試驗

對鈦合金流體軟管組件進行氣密性檢驗，如圖7所示。根據(jù)設(shè)計要求，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氣壓下再次進行耐壓試驗，接頭及扣壓處均無泄漏、變形等異?，F(xiàn)象。

圖7 鈦合金流體軟管組件氣密性檢驗

3.3 爆破試驗

對完成耐壓試驗的流體軟管組件進行爆破試驗，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到20 MPa時突然發(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1/4′′、1/2′′和3/4′′通徑的鈦合金流體軟管組件各進行3組爆破試驗（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統(tǒng)計表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

對通過了氣密性試驗測試的流體軟管組件按照GJB 360B—2009《電子及電氣元件試驗方法》中相應程序進行高低溫試驗，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

本文針對產(chǎn)品中液體冷卻系統(tǒng)的管路連接，設(shè)計了一種輕量、可靠性高、耐高壓、耐腐蝕的鈦合金流體軟管組件，并對其制備工藝進行了系統(tǒng)研究。對鈦合金流體軟管組件的密封設(shè)計進行了優(yōu)化改進，并在制備工藝上通過材料硬度匹配和仿形工裝設(shè)計提升了錐面密封性能。提出了一套扣壓量計算方法，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)計和制備提供有效的參考。