鋁合金無縫氣瓶的設(shè)計(jì)與制造

郝延平

(沈陽(yáng)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110035)

鋁合金無縫氣瓶的設(shè)計(jì)與制造

郝延平

(沈陽(yáng)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110035)

詳述了鋁合金無縫氣瓶的設(shè)計(jì)原則、材料選擇的要求、制造工藝方法和制造中應(yīng)注意的問題，解析了鋁合金無縫氣瓶在設(shè)計(jì)和制造上的獨(dú)特性和特殊要求。

鋁合金無縫氣瓶；熱處理；擠壓；旋壓；沖壓；變薄拉伸

20世紀(jì)30年代，瑞典、法國(guó)開始制造鋁合金無縫氣瓶，但由于當(dāng)時(shí)生產(chǎn)成本偏高，制約了鋁合金無縫氣瓶的發(fā)展。到了20世紀(jì)50年代，英國(guó)勒克斯菲爾公司首先采用冷擠壓工藝制造鋁合金無縫氣瓶，大大降低了成本，產(chǎn)量也很快得到了提高。20世紀(jì)90年代，我國(guó)開始制造鋁合金無縫氣瓶，生產(chǎn)時(shí)間雖然不長(zhǎng)，但發(fā)展非常迅速，現(xiàn)在已有許多氣瓶制造廠生產(chǎn)鋁合金無縫氣瓶。鋁合金無縫氣瓶已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子、醫(yī)療、潛水、化工、冶金、礦山等領(lǐng)域。

1 鋁合金無縫氣瓶設(shè)計(jì)

與其它氣瓶一樣，鋁合金無縫氣瓶筒體部分是一薄壁圓柱形殼體，或稱薄壁圓筒。所謂薄壁圓筒，從力學(xué)上講就是指：當(dāng)圓筒的壁厚相對(duì)于半徑很小時(shí)，圓筒斷面上承受彎矩的能力很小，筒壁主要承受拉力或壓力，因此可以近似地認(rèn)為應(yīng)力在整個(gè)筒壁上沿壁厚度均勻地分布，即所謂無力矩理論。按無力矩理論計(jì)算求得的應(yīng)力稱為薄膜應(yīng)力。通過計(jì)算可以求得，氣瓶筒體的環(huán)向應(yīng)力是縱向應(yīng)力的2倍，所以環(huán)向是氣瓶的薄弱環(huán)節(jié)，氣瓶的破裂一般是沿筒體的縱向開裂，即是由于作用在筒體的環(huán)向應(yīng)力達(dá)到材料的抗拉強(qiáng)度極限所引起的。

1.1 鋁合金無縫氣瓶材料選擇

1.1.1 鋁及鋁合金性能特點(diǎn)

1. 輕質(zhì)：鋁的突出優(yōu)點(diǎn)是它的密度小(2.7 g/cm3)，大約是鋼的1/3。由于密度小而使鋁和鋁合金在航空、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

2. 耐蝕性：鋁及鋁合金表面易生成一層致密、牢固的氧化鋁保護(hù)膜，防止其繼續(xù)氧化。這層保護(hù)膜只有在鹵素離子或堿離子的激烈作用下才會(huì)遭到破壞。因此，鋁有很好的耐大氣腐蝕和水腐蝕的能力。能抗多數(shù)酸及有機(jī)物腐蝕。通過合金選擇、化學(xué)和電化學(xué)處理等措施可進(jìn)一步提高其耐蝕性。

3. 力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度對(duì)任何金屬來說都是重要的特性之一，它可以在很低到相當(dāng)高的大范圍內(nèi)變化。工業(yè)純鋁的強(qiáng)度很低，塑性很高，但是可通過合金化方法使其強(qiáng)度提高到預(yù)定目標(biāo)的水平。

4. 加工性能：由于鋁本身具有軟的面心立方晶體結(jié)構(gòu)，所以鋁和鋁合金本質(zhì)上易加工且可用通用變形技術(shù)加工。鋁和鋁合金也具有快速而又經(jīng)濟(jì)的機(jī)械加工性能。

1.1.2 鋁合金的強(qiáng)化方式

如果合金的組元在固態(tài)下能彼此相互溶解，則在液態(tài)合金凝固時(shí)，組元的原子將共同地結(jié)晶成一種晶格，晶格內(nèi)包含有各種組元的原子，晶格的形式與一種組元相同，這樣，這些組元就形成了固溶體。晶格與固溶體相同的組元為固溶體的溶劑，其他組元為溶質(zhì)。也就是說，固溶體是溶質(zhì)原子溶入固態(tài)的溶劑中，并保持溶劑晶格類型而形成的相。

凡溶解度變化大的合金，加熱至高溫后急冷下來，均可形成過飽和固溶體，這就是固溶處理。隨后在常溫放置或在稍高溫度下加熱一定時(shí)間即可產(chǎn)生所謂“時(shí)效”過程而強(qiáng)化。

鋁合金的強(qiáng)化是以鋁與其他金屬元素形成金屬間化合物在固溶體中的固溶度變化為基礎(chǔ)的。鋁雖能同許多金屬形成合金，但相比之下有高的固溶度和能起顯著強(qiáng)化作用的元素卻只有Cu、Zn、Mg、Si這4種。這4種主要元素與鋁組成的二元(CuAl2、Mg2Si、MgZn2)和三元化合物(Al2CuMg、Al2Mg3Zn3)在鋁中的固溶度能隨溫度的降低而強(qiáng)烈地減少，故可通過熱處理的辦法來提高強(qiáng)度，可稱之為熱處理強(qiáng)化型鋁合金。

1.1.3 Al-Mg-Si系鍛用鋁合金

Al-Mg-Si系合金是在熱處理強(qiáng)化型鋁合金中唯一沒有發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕斷裂(SCC)現(xiàn)象的合金，有中等強(qiáng)度和優(yōu)良的耐蝕性能，有明顯的時(shí)效強(qiáng)化效應(yīng)。

Al-Mg-Si合金可進(jìn)行自然時(shí)效或人工時(shí)效，但因自然時(shí)效速度較慢，而且強(qiáng)化效果不如人工時(shí)效，故Al-Mg-Si合金一般在人工時(shí)效狀態(tài)下使用。由于Mg2Si含量大于0.9%的Al-Mg-Si合金，存在停放效應(yīng)，即淬火后在室溫停放一段時(shí)間再進(jìn)行人工時(shí)效處理時(shí)，將使合金的時(shí)效強(qiáng)化效應(yīng)降低。因此，當(dāng)采用人工時(shí)效工藝時(shí)，應(yīng)注意熱處理工序之間的協(xié)調(diào)。

1.1.4 各種化學(xué)元素對(duì)Al-Mg-Si合金性能的作用

1. Si、Mg 形成強(qiáng)化相Mg2Si，能顯著提高合金的時(shí)效強(qiáng)化能力，改善合金的力學(xué)性能。固溶的Mg能提高對(duì)海水和堿溶液的腐蝕能力。

2. Cu的作用是提高合金的強(qiáng)度，但塑性有所降低，對(duì)耐蝕性也有不利影響。

3. Mn、Cr的作用是降低晶粒粗化傾向，提高合金的耐蝕性，但也提高強(qiáng)度的韌性。

4. Ti細(xì)化晶粒的作用，改善工藝塑性。

5. Fe是鋁合金中不可避免的雜質(zhì)元素，少量的有利于合金強(qiáng)度的提高，但當(dāng)鐵含量大于0.25%時(shí)，易形成α-Fe相，β-Fe相和FeAl3相。其中β-Fe相和FeAl3相為針狀，破壞合金結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。

6. Pb和Bi為雜質(zhì)元素，由于能形成低熔點(diǎn)共晶(或單晶)，擴(kuò)大了有效結(jié)晶溫度區(qū)間，凡是能擴(kuò)大有效結(jié)晶溫度區(qū)間的雜質(zhì)，都能促使熱裂紋的形成。

7. 少量的雜質(zhì)Zn對(duì)合金的強(qiáng)度影響不大。

1.1.5 鋁合金無縫氣瓶瓶體材料的選擇

鋁合金無縫氣瓶瓶體材料的選擇首先考慮的是它的安全性，為防止失效破壞造成的事故，瓶體材料必須具有足夠的強(qiáng)度，有一定的塑性、韌性，有較好的耐腐蝕能力以及較好的低溫性能；由于鋁合金的疲勞強(qiáng)度較低，因此，一定要選擇抗疲勞性能較好的材料。其次要考慮它的加工性能、供貨及價(jià)格情況。

根據(jù)GB 11640—2011《鋁合金無縫氣瓶》的要求，鋁合金無縫氣瓶的瓶體材料一般應(yīng)選用6061鋁合金，這個(gè)牌號(hào)材料屬于Al-Mg-Si系鍛用鋁合金，具有良好的冷熱加工、耐蝕、低溫、疲勞等性能。

GB 11640—2011《鋁合金無縫氣瓶》允許瓶體采用其他具有良好的抗晶間腐蝕性能和工藝性能的鋁合金材料，但應(yīng)通過腐蝕試驗(yàn)和抗恒載荷裂紋試驗(yàn)。這是由于某些鋁合金在動(dòng)態(tài)或靜態(tài)拉應(yīng)力和特定腐蝕環(huán)境的聯(lián)合作用下主要發(fā)生沿晶斷裂，這種現(xiàn)象稱之為應(yīng)力腐蝕斷裂(SCC)。

1.2 鋁合金無縫氣瓶的設(shè)計(jì)要求

1.2.1 鋁合金無縫氣瓶的壁厚設(shè)計(jì)

鋁合金無縫氣瓶筒體強(qiáng)度設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是確定其筒體所需的最小壁厚。

根據(jù)GB 11640—2011《鋁合金無縫氣瓶》的有關(guān)規(guī)定：

1. 筒體設(shè)計(jì)壁厚計(jì)算時(shí)，應(yīng)采用材料熱處理后規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度的保證值，其值不應(yīng)超過抗拉強(qiáng)度保證值的85%。

2. 瓶體設(shè)計(jì)壁厚的計(jì)算以水壓試驗(yàn)壓力為準(zhǔn)，水壓試驗(yàn)壓力為公稱工作壓力的1.5倍。

3. 筒體的設(shè)計(jì)壁厚應(yīng)不小于下面兩個(gè)公式的要求，且不小于1.5 mm。

式中，Ph為水壓試驗(yàn)壓力，MPa；D0為筒體公稱外徑，mm；Rp0.2為規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度的保證值，MPa。

上述公式是采用第三強(qiáng)度理論，且偏于安全。

1.2.2 鋁合金無縫氣瓶的端部設(shè)計(jì)

1. 底部和肩部的厚度和形狀應(yīng)滿足水壓爆破試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)的要求。

2. 為使應(yīng)力分布均勻，筒體到肩部和筒體到底部的壁厚應(yīng)逐漸增加，肩部和底部的典型結(jié)構(gòu)見圖1所示。

圖1 肩部和底部的典型結(jié)構(gòu)

3. 底部任何部位的厚度不應(yīng)小于筒體的設(shè)計(jì)壁厚。

4. 內(nèi)底形半徑(r1)應(yīng)不大于1.2倍筒體內(nèi)徑，內(nèi)底形轉(zhuǎn)角半徑(r)不應(yīng)小于瓶體內(nèi)徑的10%。

5. 底部接地點(diǎn)到內(nèi)壁的厚度(c)不應(yīng)小于2倍的筒體設(shè)計(jì)壁厚。

1.2.3 瓶口螺紋設(shè)計(jì)

錐螺紋應(yīng)滿足GB 8335《氣瓶專用螺紋》的規(guī)定。直螺紋應(yīng)貫穿口部，且滿足GB/T 192《普通螺紋 基本牙型》、GB/T 196《普通螺紋 基本尺寸》和GB/T 197《普通螺紋 公差》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。直螺紋長(zhǎng)度不少于6個(gè)螺距，且在水壓試驗(yàn)壓力下的剪切應(yīng)力安全系數(shù)至少為10。

瓶頸厚度應(yīng)保證在承受裝閥和鉚合頸圈的附加外力時(shí)不產(chǎn)生變形。其裝閥扭矩應(yīng)滿足GB 11640 —2011《鋁合金無縫氣瓶》的有關(guān)規(guī)定。

1.2.4 底座設(shè)計(jì)

如安裝底座，應(yīng)用適當(dāng)?shù)姆椒▽⒌鬃潭ㄔ阡X合金無縫氣瓶上，底座應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，不應(yīng)使用焊接的方法。

1.2.5 頸圈設(shè)計(jì)

如安裝頸圈，應(yīng)將其牢固地固定在瓶頸上，保證頸圈能承受大于10倍瓶重的軸向載荷，最低不小于1000 N，且能承受不小于100 N·m的旋轉(zhuǎn)扭矩。安裝頸圈不應(yīng)使用焊接的方法。

2 鋁合金無縫氣瓶制造基本過程

鋁合金無縫氣瓶的制造方法大致有4種。

1. 沖拔拉伸法：是指將鋁合金坯料加熱沖孔后的短粗杯形件，再經(jīng)拔伸收口而成的鋁合金無縫氣瓶，是我國(guó)鋁合金無縫氣瓶制造的主要形式。

2. 冷擠壓：是指將鋁合金坯料冷擠壓成形，再經(jīng)收口而成的鋁合金無縫氣瓶。這種加工方法工序簡(jiǎn)單，成本較低，但需要噸位較大的壓力機(jī)。

3. 沖壓拉伸法：是指將鋁合金板深沖成長(zhǎng)杯形件，然后將開口端進(jìn)行封閉的工藝方法。這種加工方法瓶體壁厚比較均勻，但材料利用率低、工序復(fù)雜、造價(jià)較高，故采用這種工藝方法的廠家較少。

4. 旋壓成形法：是指將鋁合金板旋壓成形制造的氣瓶。對(duì)于鋁合金等材料，旋壓可以最大限度發(fā)揮材料塑性潛力，使變形量達(dá)到70%以上，一次裝卡旋壓可達(dá)到需要多次拉伸退火的效果。所以拉伸旋壓也是制造鋁瓶的工藝之一，并特別適合小批量的產(chǎn)品生產(chǎn)。拉伸旋壓后的桶坯可以再次旋壓(一般需要加溫)呈小口的氣瓶。這種全部通過旋壓工藝加工制造的氣瓶稱為“全旋壓氣瓶”，一般精度高，瓶體壁厚均勻，質(zhì)量?jī)?yōu)良，爆破壓力較高(需配合合適的熱處理工藝)。

在實(shí)際制造過程中，由于用戶對(duì)氣瓶質(zhì)量的要求不同，或是企業(yè)采用的制造工藝不同，或是企業(yè)制造設(shè)備的限制，同一種鋁合金無縫氣瓶經(jīng)常幾種制造方法混合使用，因此，上述幾種制造方法只是做個(gè)大致分類。

2.1 金屬擠壓、沖壓、旋壓和變薄拉伸概述

1. 擠壓的基本概念：擠壓是采用擠壓桿(或凸模)將放在擠壓筒(或凹模)內(nèi)的坯料壓出?？谆蛄魅胩囟ǖ目紫抖尚偷乃苄约庸し椒?。

鋁合金無縫氣瓶的制造過程中常用的擠壓方法有：反向擠壓、熱擠壓和冷擠壓。

1)反向擠壓：擠壓時(shí)，金屬制品的流出方向與擠壓桿的運(yùn)動(dòng)方向相反的擠壓。擠壓桿固定不動(dòng)，擠壓筒在主柱塞力的作用下向前移動(dòng)，而使擠壓桿逐步進(jìn)入擠壓進(jìn)行反向擠壓。

反向擠壓的特點(diǎn)：在擠壓過程中錠坯表面與擠壓筒內(nèi)壁之間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不存在摩擦；變形比較均勻；擠壓力比正向擠壓可降低30%～40%，成品率、生產(chǎn)率高。缺點(diǎn)是制品外接圓直徑受擠壓桿限制，長(zhǎng)度也受限制。

2)熱擠壓：金屬在熱態(tài)下進(jìn)行的擠壓。

熱擠壓的特點(diǎn)：變形抗力小，容許每次變形程度大，但表面光潔度低。

3)冷擠壓是指在室溫下進(jìn)行的擠壓，也稱沖擊擠壓。

冷擠壓的特點(diǎn)：第一，冷擠壓時(shí)變形抗力比熱擠壓高得多。第二，制品性能均勻，表面光潔度高。第三，生產(chǎn)的成品率高。第四，在冷擠壓過程中，金屬主要處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)。故擠壓后的制品內(nèi)部組織致密，具有連續(xù)的纖維流向，因而提高了材料的疲勞強(qiáng)度。第五，由于加工硬化提高了制品的強(qiáng)度及硬度。第六，加工設(shè)備簡(jiǎn)單，投資少、工序簡(jiǎn)單。第七，冷擠壓時(shí)為了降低擠壓力、防止模具磨損和破壞、提高表面質(zhì)量，必須進(jìn)行潤(rùn)滑處理。

2. 沖壓的基本概念：沖壓是利用沖壓設(shè)備和沖模使板料或坯料產(chǎn)生分離或變形的加工方法。

沖壓加工的特點(diǎn)：沖壓出的制品，具有較高的尺寸精度，但制造成本較高。

3. 變薄拉伸的基本概念及特點(diǎn)。

拉伸：對(duì)金屬坯料施以拉力，使之通過?？滓垣@得與模孔截面尺寸、形狀相同的制品的塑性加工方法稱之為拉伸。

變薄拉伸：是指坯料在拉伸前后只是在厚度方向上發(fā)生有較大的變化，而在直徑方向上則變化較小的一種冷沖壓方法。

變薄拉伸的特點(diǎn)：第一，變薄拉伸時(shí)坯料的變形區(qū)是處于凹?？變?nèi)錐形部分周圍的金屬，而傳力區(qū)則是已從凹模中拉出的側(cè)壁部分和底部。第二，變薄拉伸時(shí)坯料的應(yīng)力狀態(tài)，主要是由凸模拉力而產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力、凸模與凹模對(duì)材料產(chǎn)生的徑向壓應(yīng)力，以及由于材料間的互相擠壓而產(chǎn)生切向應(yīng)力的三向應(yīng)力狀態(tài)。而應(yīng)變狀態(tài)則是在軸向產(chǎn)生伸長(zhǎng)變形，而在壁厚方向上產(chǎn)生徑向壓縮變形。第三，由于材料的變形是處于三向應(yīng)力狀態(tài)之下，因此材料在變薄拉伸過程中，產(chǎn)生冷作硬化現(xiàn)象，致使金屬晶粒變細(xì)，強(qiáng)度增加。第四，經(jīng)變薄拉伸的工件，表面粗糙度很好，但由于拉伸過程中產(chǎn)生摩擦，因此要有很好的潤(rùn)滑及粗糙度要求很高的模具。第五，由于變形區(qū)材料是受到一向拉伸二向壓縮的應(yīng)力狀態(tài)，所以拉伸力較小(與冷擠壓相比)，故可采用噸位較小的壓力機(jī)。

4. 旋壓成形的概念：旋壓是綜合了鍛造、擠壓、拉伸、彎曲、環(huán)軋、橫軋和滾壓等工藝特點(diǎn)的少、無切削的先進(jìn)加工工藝，廣泛地應(yīng)用于回轉(zhuǎn)體零件的加工成形中。是根據(jù)材料的塑性特點(diǎn)，將毛坯裝卡在芯模上并隨之旋轉(zhuǎn)，選用合理的旋壓工藝參數(shù)，旋壓工具(旋輪或其他異形件)與芯模相對(duì)連續(xù)地進(jìn)給，依次對(duì)工件的極小部分施加變形壓力，使毛坯受壓并產(chǎn)生連續(xù)逐點(diǎn)變形而逐漸成形工件的一種先進(jìn)塑性加工方法。

2.2 鋁合金無縫氣瓶制造的典型簡(jiǎn)要工藝

2.2.1 下料

根據(jù)鋁合金無縫氣瓶的容積不同，用鋸床將棒料或無縫管按工藝要求切割成一定尺寸的坯料。切料時(shí)，棒料與鋸床的鋸條要保持一定的垂直度，以保證其兩端面平行，然后車削成規(guī)定的尺寸形狀并清除毛刺，下料后做材料標(biāo)記移植，并按材料標(biāo)記堆放管理。

將板料用剪板機(jī)按工藝要求裁成正方或八角形毛坯，在剪切過程中必須按不同的板料厚度合理地調(diào)節(jié)剪刃之間的間隙；剪切后的毛坯不得有劃、碰的傷痕，倘若不慎造成創(chuàng)傷，應(yīng)及時(shí)修磨；將剪切后的正方形或八角形毛坯按工藝要求車削成規(guī)定尺寸的圓片，然后做材料標(biāo)記移植，并按材料標(biāo)記堆放管理。

由于工藝過程中的損耗，鋁合金無縫氣瓶的重量與坯料的重量是有一定差距的，用沖拔拉伸法制造鋁合金無縫氣瓶時(shí)，由于拉伸時(shí)壁部要發(fā)生明顯的變化，應(yīng)按拉伸前后的體積對(duì)等的方法來計(jì)算坯料尺寸，其計(jì)算方法是：

V=aV1

式中，V為坯料體積；V1為氣瓶的體積；a為修正系數(shù)，一般取1.15～1.2。

用冷擠壓法制造鋁合金無縫氣瓶時(shí)，坯料尺寸是根據(jù)工件體積與坯料體積相等的原則來確定的，其計(jì)算方法是：

V=V1+V2

式中，V為坯料體積；V1為氣瓶的體積；V2為修邊余量的體積。修邊余量的體積一般可取氣瓶體積的3%～5%。

2.2.2 熱反擠

熱反擠前首先應(yīng)進(jìn)行模具的安裝和調(diào)整，安裝和調(diào)整模具時(shí)必須使用百分表或精度相當(dāng)?shù)钠渌科鳎煌拱寄Ｖg的同軸度偏差應(yīng)在一定范圍內(nèi)；模具中心與液壓機(jī)中心應(yīng)盡量重合，其偏移量一般不應(yīng)大于5 mm；緊固凹模座(臺(tái)架)時(shí)，壓緊螺栓必須靠近凹模座的邊緣，墊塊也應(yīng)靠近螺栓。必須注意的是，安裝模具前應(yīng)檢查模具是否有缺陷，有缺陷者必須修磨完好后才能安裝。其二，擠壓前應(yīng)預(yù)熱模具，預(yù)熱溫度大約在200℃。其三，必須在工件和模具的接觸面上均勻涂抹潤(rùn)滑劑進(jìn)行潤(rùn)滑。

首先將坯料有序的擺放在加熱爐中，在保證坯料均勻受熱的條件下，進(jìn)行加熱。坯料放入凹模后，要用專用的工具將坯料對(duì)中、找正，保證整個(gè)圓周上坯料與凹模間距相等，保證擠壓后壁厚差在工藝規(guī)定范圍內(nèi)。然后在立式水壓機(jī)上進(jìn)行反擠壓，形成杯形件。

嚴(yán)格檢查擠壓半成品尺寸、內(nèi)外表面及模具工作面，發(fā)現(xiàn)工件尺寸超差或內(nèi)外表面劃傷以及模具工作面粘鋁時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整和修磨模具。

冷擠壓的工序與熱反擠基本相同，只是坯料不需要加熱。

2.2.3 退火、清洗

退火是對(duì)坯料進(jìn)行軟化處理，目的是獲得穩(wěn)定的組織和優(yōu)良的工藝塑性。對(duì)于需要多次拉伸的工件，在每一次拉伸后，將產(chǎn)生冷作硬化現(xiàn)象。由于冷作硬化，材料的塑性降低，為降低冷作硬化而恢復(fù)塑性，必須在拉伸中間采用退火工序。退火包括熱反擠后的杯形件的退火和沖壓拉伸法的圓板和沖壓變形后杯形件的中間退火。

退火爐爐溫測(cè)定用熱電偶和溫度儀，并自動(dòng)記錄退火溫度。退火溫度一般控制在350～370℃。

退火后應(yīng)對(duì)工件進(jìn)行堿洗和清洗：用NaOH水溶液洗去熱處理后附著在工件表面的油污殘留物或氧化物，根據(jù)堿液的濃度和溫度適當(dāng)調(diào)整浸洗時(shí)間，應(yīng)當(dāng)使工件的全部表面受到均勻的堿洗，堿洗后的工件表面呈中灰色，防止黑灰色的過堿洗和亮灰色的欠堿洗。若發(fā)現(xiàn)堿洗速度明顯變緩，則根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)添加或更換堿液。

將堿洗后的工件置入清水池中浸洗或清水沖洗，用棉紗或尼龍刷擦刷工件表面并用水沖洗干凈，不能留有堿洗后的殘存物，擦刷后的工件表面應(yīng)呈鋁白色。

2.2.4 變薄拉伸

變薄拉伸前首先應(yīng)進(jìn)行模具的安裝和調(diào)整，安裝和調(diào)整模具時(shí)必須使用百分表或精度相當(dāng)?shù)钠渌科鳎煌拱寄Ｖg的同軸度偏差應(yīng)在一定范圍內(nèi)；模具中心與液壓機(jī)中心應(yīng)盡量重合，其偏移量一般不應(yīng)大于5 mm；緊固凹模座(臺(tái)架)時(shí)，壓緊螺栓必須靠近凹模座的邊緣，墊塊也應(yīng)靠近螺栓。必須注意的是，安裝模具前應(yīng)檢查模具是否有缺陷，有缺陷者必須修磨完好后才能安裝。

其二，必須在工件和模具的接觸面上均勻涂抹潤(rùn)滑劑進(jìn)行潤(rùn)滑，潤(rùn)滑劑在拉伸工作中所起的作用，不僅是降低摩擦系數(shù)而使拉伸力降低(實(shí)踐證明，與無潤(rùn)滑劑相比，它能降低拉伸力達(dá)30%)，從而提高材料的極限變形程度(降低極限拉伸系數(shù))，而且還能保護(hù)模面及工件表面不受刮傷，從而提高模具壽命和工件質(zhì)量。

將杯形件放入臥式水壓機(jī)，按工藝要求，完成變薄拉伸過程。嚴(yán)格檢查變薄拉伸后的工件，如發(fā)現(xiàn)尺寸超差或有缺陷，應(yīng)及時(shí)調(diào)整和修磨模具。

2.2.5 旋收口

利用收口機(jī)完成瓶坯或管坯的旋收口。工藝過程如下：將冷檢合格的瓶坯或管坯裝卡在旋壓收口機(jī)上，用氧—乙炔或氧—液化石油氣火焰加熱，加熱長(zhǎng)度按工藝要求執(zhí)行(一般等于被加熱的瓶坯或管坯的直徑)，加熱溫度一般在470℃以下，但不能過低，然后收口機(jī)的旋輪對(duì)瓶坯或管坯的加熱端部進(jìn)行旋壓成形。收口時(shí)應(yīng)按工藝調(diào)整旋壓速度，以保證收口后瓶體的頸肩部位的光滑，防止產(chǎn)生溝痕和皺褶。

2.2.6 熱處理

固溶處理(或稱淬火)及人工時(shí)效強(qiáng)化處理，目的是借助時(shí)效硬化以提高鋁合金的強(qiáng)度性能。

在固溶處理時(shí)，為保證強(qiáng)化相充分固溶，加熱溫度應(yīng)超過固溶度線。溫度愈高，固溶愈快，也愈完全，時(shí)效強(qiáng)化效果也更顯著。但不應(yīng)高于固相線，否則合金將發(fā)生局部溶化，即造成過燒，這將嚴(yán)重降低合金的性能。另外，固溶處理加熱也要注意防止晶粒過分長(zhǎng)大。因此，鋁合金的固溶處理加熱溫度很窄，溫度控制要求很嚴(yán)，一般固溶處理溫度應(yīng)控制在515～550℃，保溫時(shí)間1.5～2 h。

固溶處理介質(zhì)一般用水，以保證快速冷卻。固溶處理水溫一般低于30℃。

固溶處理后接著進(jìn)行人工時(shí)效，由于Al-Mg-Si系鋁合金存在停放效應(yīng)，因此，固溶處理后應(yīng)盡快進(jìn)行人工時(shí)效處理，其間隔時(shí)間不得超過2 h。人工時(shí)效溫度一般在160～180℃，保溫時(shí)間10～12 h。

瓶體在加熱過程中，不得有過燒現(xiàn)象，過燒的瓶體必須報(bào)廢。

2.2.7 酸洗、氧化處理

用硝酸或硫酸去除瓶體內(nèi)外表面的殘堿和其他粘污物，酸洗后用水充分浸洗并沖洗氣瓶?jī)?nèi)外表面，借助伸入瓶腔中的發(fā)光小燈泡檢查氣瓶?jī)?nèi)表面，用肉眼察看外表面。洗凈表面應(yīng)呈鋁白色，不應(yīng)有酸或堿形成的殘存物或其他異物。

酸洗后的氣瓶浸入到氧化液中進(jìn)行氧化處理，氧化后，用水充分浸洗并沖洗氣瓶?jī)?nèi)外表面，直至達(dá)到工藝要求。

2.2.8 瓶口加工

鋁合金無縫氣瓶瓶口加工包括以下工序：車瓶口外徑、平瓶口、車螺紋底孔、攻絲。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文詳述了鋁合金無縫氣瓶的設(shè)計(jì)原則、材料選擇的要求、制造工藝方法和制造中應(yīng)注意的問題，解析了鋁合金無縫氣瓶在設(shè)計(jì)和制造上的獨(dú)特性和特殊要求，僅希望為同行提供一點(diǎn)借鑒和參考。

[1] TSG R 0006—2014 氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程 [S].

[2] GB 11640—2011 鋁合金無縫氣瓶 [S].

[3] GB 13077—2004 鋁合金無縫氣瓶定期檢驗(yàn)與評(píng)定 [S].

[4] 中國(guó)特種設(shè)備檢驗(yàn)協(xié)會(huì). 氣瓶檢驗(yàn)員培訓(xùn)教材 [Z].

Primary Discussion on Construction and Designing of Aluminum Alloy Seamless Gas Cylinders

HAO Yanping

(Shenyang Institute of Special Equipment Inspection & Research, Shenyang 110035, China)

The author conducts a detailed analysis of designing principles for wrapped composite gas cylinder, the author also gives a detailed analysis of its material choices, process and other matters needing attention. The author offers better understanding of differences in the construction and designing of aluminum alloy seamless gas cylinders.

aluminum alloy seamless gas cylinder; heat treatment； squeezing； spinning； punching； ironing

2017-02-09

TH49

A

1007-7804(2017)02-0019-06

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.02.005

郝延平(1966)，男，高級(jí)工程師，現(xiàn)就職于沈陽(yáng)特種設(shè)備檢測(cè)研究院。E-mail: haoyanpng@126.com。