CN101850494A - 钛合金环形气瓶内胆的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属环形气瓶成型加工技术，特别是一种钛合金环形气瓶内胆的制造方法。包括以下步骤：(1)将钛合金板锻压形成两个圆环形半圆管；(2)在钛合金圆环形半圆管的进、出气孔位置车孔；(3)在真空充氩保护室中将进气管嘴和出气管嘴分别焊接在车制的孔上；(4)化学铣切两个钛合金圆环形半圆管的内壁厚度至所需厚度；(5)焊接两个钛合金圆环形半圆管内外环焊缝形成封闭的内胆；(6)进行真空热处理。焊缝成型美观，强度符合设计要求，无气孔等焊接缺陷，具有优良的耐高压性能，同时焊接后内胆外观无变形，不需校形，符合设计公差要求；用化学铣切代替车削加工内胆内壁有效解决因车削加工所造成的变形。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属环形气瓶成型加工技术，特别是一种钛合金环形气瓶内胆的制造方法。
背景技术
环形气瓶是航天器冷喷***中的重要部件，是用来贮存压缩空气的贮能元件，工作压力高，同时作为航天产品，要求产品轻质高强，疲劳寿命满足设计要求。
作为环形气瓶中的重要部件--环形内胆，曾采用橡胶材料制成，但由于橡胶材料的固有弱点如容易老化、气密性差、导致航天器的使用寿命短，难以适应航天技术的发展。用钛合金板经冲压、焊接制造钛合金环形气瓶内胆是当前的最佳方案。图1、图2、图3、图4所示是现有钛合金环形气瓶内胆的结构图，由图可见，所述钛合金环形气瓶内胆是由两个圆环形半圆管1、2焊接而成，所述其瓶内胆上还焊接有进气管3和出气管4，所述进气管3和出气管4垂直于圆环面焊接于同一圆环形半圆管上(如图1、图2所示)，也可以与圆环面倾斜设置(如图3、图4所示)。
专利号200610152961.X公开了一种金属内衬复合环形气瓶的制造方法，包括以下步骤：(1)将2～5mm厚的TAl板冲压形成两个金属半环，在650～730℃进行真空热处理，对真空热处理后的金属半环冲压校形；(2)在其中一个金属半环的两个不同位置上进行翻孔，对翻孔进行铣加工；(3)将进口接管嘴和出口接管嘴分别焊接在翻孔上；(4)车削加工两个金属半环的内壁厚度至0.6～1.3mm；(5)焊接两个金属半环的内外环缝形成封闭的金属环，X光检查，漏率检查，在550～630℃进行真空热处理；(6)将纤维层缠绕在焊接后的封闭的金属环上得到金属内衬复合环形气瓶；(7)将缠绕好的金属内衬复合环形气瓶置于烘箱中进行固化处理，设定烘箱的参数如下：温度为80～180℃、时间为0.5～3小时。
首先应该说明的是该专利中所述“金属半环”应该是“圆环形金属半圆管”或“截面为半圆管的金属圆环”，该零件从整体上说是一个完整的圆环，而不是半环，该圆环的截面形状是半圆管。
该专利步骤(1)～(5)所加工的金属环即本发明所述的钛合金环形气瓶内胆。钛合金的焊接难点在于热影响区晶粒长大和熔融金属中溶入氢、氧、氮形成钛化物造成焊缝脆化，印次焊后热处理和焊接过程对容池的保护是提高焊缝质量的必要措施。而在该专利步骤(5)所述焊接的两个环形金属半圆管的内外环缝形成封闭的圆环形金属管中并未对如何焊接提出具体方案，而如何实现焊缝背面的保护是该产品质量保证的关键，因为组装后的环形金属圆管的内壁处于被封闭的位置，常用的焊缝背面的气体保护垫板很难适用，内胆内表面的焊缝成型也难以保证。另外，其内表面的粗糙度的保证传统采用五轴联动数控车床加工，极易造成整个钛合金内胆的变形，难以满足航天器的使用要求。
因此如何解决焊接过程中对焊缝背面的保护以及对圆环形金属半圆管内壁的加工是长期困扰钛合金环形气瓶内胆加工制造的难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的上述不足，而提供一种钛合金环形气瓶内胆的制造方法，该方法主要解决焊缝背面保护及环形金属半圆管内壁加工所存在的问题。
本发明所提供的钛合金环形气瓶内胆的制造方法是由如下技术方案来实现的。
一种钛合金环形气瓶内胆的制造方法，包括以下步骤：
(1)将0.5-6mm厚的TC4板锻压形成两个圆环形半圆管；
(2)在钛合金圆环形半圆管的进、出气孔位置车孔；
(3)在真空充氩保护室中将进气管嘴和出气管嘴分别焊接在车制的孔上；
(4)化学铣切两个钛合金圆环形半圆管的内壁厚度至0.5-4mm；
(5)焊接两个钛合金圆环形半圆管内外环焊缝形成封闭的内胆；焊接时焊缝背面用喷出氩气的随动垫块进行背面保护；
(6)在530-700℃进行真空热处理。
除上述必要技术特征外，在具体实施过程中，还可补充如下技术内容。
所述的钛合金环形气瓶内胆的制造方法，其中步骤(2)所述在钛合金圆环形半圆管的进、出气孔位置车孔，是用五轴联动数控车床进行车孔。
所述的钛合金环形气瓶内胆的制造方法，其中步骤(3)所述真空充氩保护室是先将室内抽真空至3-5Pa，再充入高纯氩气(≥99.99％)。
所述的钛合金环形气瓶内胆的制造方法，其中步骤(4)所述化学铣切两个钛合金圆环形半圆管的内壁厚度至0.5-4mm是将厚度大于铣切厚度的内壁铣切到所需厚度，该厚度取决于气瓶的耐压值，在化学铣切过程中，钛合金圆环形半圆管的外表面、进出气管、焊接法兰盘及法兰焊缝周围10～15mm范围涂覆防蚀刻漆，以保留原厚度。
所述的钛合金环形气瓶内胆的制造方法，其中步骤(5)所述焊接两个钛合金圆环形半圆管内外环焊缝形成封闭的内胆；焊接时焊缝背面用喷出氩气的随动垫块进行背面保护；具体步骤是：
(5-1)先焊接外环焊缝，设置一外环焊缝随动垫块，所述外环焊缝随动垫块的上表面为与内胆外环缝内壁面一致的弧面，所述弧面上设有焊缝成型槽，所述焊缝成型槽内设有多个氩气喷孔，所述外环焊缝随动垫块的一侧设有氩气接管，所述氩气接管与所述多个氩气喷孔连通，并以软管连接氩气源，所述外环焊缝随动垫块的下表面设有与焊缝平行的楔槽，焊接时，将被焊内胆垂直置放，将所述外环焊缝随动垫块由进或出气管置入环形内胆内，用一端部具有楔面的薄钢板由内环缝***内胆，并楔入外环缝随动垫块下表面的楔槽中而与外环焊缝随动垫块固定，将所述薄钢板与焊接机头固定，旋转内胆，通入氩气进行自动焊接，焊后取出外环焊缝随动垫块；
(5-2)焊接内环焊缝，设置一内环焊缝随动垫块，所述内环焊缝随动垫块的上表面为与内胆的内环缝内壁面一致的弧面，所述弧面上设有焊缝成型槽，所述焊缝成型槽内设有多个氩气喷孔，所述内环焊缝随动垫块的一侧设有氩气接管，所述氩气接管与所述多个氩气喷孔连通，并以软管连接氩气源，所述内环焊缝随动垫块的下表面弹性连接一重轮座，焊接时，将被焊内胆垂直置放，将所述具有重轮座的内环焊缝随动垫块由进或出气管置入环形内胆内，旋转内胆，则所述重轮座将保持位于内胆的最低位置，并通过弹性连接使内环焊缝随动垫块轻贴内环缝的内表面，通入氩气，进行自动焊接，焊后取出内环焊缝随动垫块及重轮座。
本发明的优点在于：
本发明采用特殊设计的随动垫块进行背面保护使内胆的内外环焊缝成型美观，强度符合设计要求，无气孔等焊接缺陷，具有优良的耐高压性能，通过了耐压试验，同时焊接后内胆外观无变形，不需校形，符合设计公差要求；用化学铣切代替车削加工内胆内壁有效解决因车削加工所造成的变形。
为对本发明的加工方法及其功效有进一步了解，兹列举具体实施例并结合附图详细说明如下。
附图说明
图1是一种钛合金环形气瓶内胆的结构图。
图2是图1的俯视图。
图3是另一种钛合金环形气瓶内胆的结构图。
图4是图2的俯视图。
图5是本发明钛合金环形气瓶内胆的制造方法的流程图。
图6是本发明钛合金环形气瓶内胆外环缝焊接示意图。
图7是本发明钛合金环形气瓶内胆内环缝焊接示意图。
具体实施方式
如图5所示，本发明所提供的钛合金环形气瓶内胆的制造方法，包括以下步骤：
(1)将0.5-6mm厚的TC4板锻压形成两个圆环形半圆管；板材的具体厚度根据气瓶的耐压及加工要求确定；
(2)在钛合金圆环形半圆管的进、出气孔位置车孔；孔的直径等于进出气管上的圆形焊接法兰盘5、6的直径。为提高焊缝质量，避免采用角接焊缝，所述进出气管上设有圆形焊接法兰盘，所述焊接法兰盘的厚度与所述圆环形半圆管得壁后相同；
(3)在真空充氩保护室中将进气管嘴和出气管嘴分别焊接在车制的孔上；
(4)化学铣切两个钛合金圆环形半圆管的内壁厚度至0.5-4mm；铣切厚度根据气瓶耐压值而定，具体见表1；
(5)焊接两个钛合金圆环形半圆管内外环焊缝形成封闭的内胆；焊接时焊缝背面用喷出氩气的随动垫块进行背面保护；
(6)在530-700℃进行真空热处理。热处理温度及时间与板厚有关，具体参数见表1。
步骤(2)所述在钛合金圆环形半圆管的进、出气孔位置车孔，是用五轴联动数控车床进行车孔。
步骤(3)所述真空充氩保护室是先将室内抽真空至3-5Pa，再充入高纯氩气(≥99.99％)。
步骤(4)所述化学铣切两个钛合金圆环形半圆管的内壁厚度至0.5-4mm是将厚度大于铣切厚度的内壁铣切到所需厚度，该厚度取决于气瓶的耐压值，在化学铣切过程中，钛合金圆环形半圆管的外表面、进出气管、焊接法兰盘及法兰焊缝周围10～15mm范围涂覆防蚀刻漆，以保留原厚度。
步骤(5)所述焊接两个钛合金圆环形半圆管内外环焊缝形成封闭的内胆；焊接时焊缝背面用喷出氩气的随动垫块进行背面保护；具体步骤是：
(5-1)先焊接外环焊缝，图6所示，设置一外环焊缝随动垫块10，所述外环焊缝随动垫块10的上表面为与内胆外环缝内壁面一致的弧面11，所述弧面11上设有焊缝成型槽12，所述焊缝成型槽12内设有多个氩气喷孔13，所述外环焊缝随动垫块10的一侧设有氩气接管14，所述氩气接管14与所述多个氩气喷孔13连通，并以软管15连接氩气源，所述外环焊缝随动垫块10的下表面设有与焊缝平行的楔槽16，焊接时，将被焊内胆垂直置放于驱动轮架30上，将所述外环焊缝随动垫块10由进或出气管置入环形内胆内，用一端部具有楔面的薄钢板17由内环缝***内胆，并楔入外环缝随动垫块下表面的楔槽16中而与外环焊缝随动垫块10固定，将所述薄钢板17与焊接机头40固定，旋转内胆，通入氩气进行自动焊接，焊后取出外环焊缝随动垫块，完成外环缝焊接。
(5-2)焊接内环焊缝，如图7所示，设置一内环焊缝随动垫块20，所述内环焊缝随动垫块20的上表面为与内胆的内环缝的内壁面一致的弧面21，所述弧面21上设有焊缝成型槽22，所述焊缝成型槽22内设有多个氩气喷孔23，所述内环焊缝随动垫块20的一侧设有氩气接管24，所述氩气接管24与所述多个氩气喷孔23连通，并以软管25连接氩气源，所述内环焊缝随动垫块20的下表面弹性连接一重轮座26，焊接时，将被焊内胆垂直置放于驱动轮架上，将所述具有重轮座26的内环焊缝随动垫块20由进或出气管置入环形内胆内，旋转内胆，则所述重轮座26将保持位于内胆的最低位置，并通过弹性连接使内环焊缝随动垫块20轻贴内环缝的内表面，通入氩气，进行自动焊接，焊后取出内环焊缝随动垫块及重轮座26。
表1
| 板厚(mm) | 铣切后的厚度(mm) | 焊后热处理温度℃ | 焊后热处理保温时间(小时) |
| 0.5 | 0.5 | 530 | 1 |
| 2 | 1.1 | 530 | 3 |
| 4 | 2 | 600 | 3 |
| 6 | 4 | 700 | 3 |
Claims (5)
1.一种钛合金环形气瓶内胆的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将0.5-6mm厚的TC4板锻压形成两个圆环形半圆管；
(2)在钛合金圆环形半圆管的进、出气孔位置车孔；
(3)在真空充氩保护室中将进气管嘴和出气管嘴分别焊接在车制的孔上；
(4)化学铣切两个钛合金圆环形半圆管的内壁厚度至0.5-4mm；
(5)焊接两个钛合金圆环形半圆管内外环焊缝形成封闭的内胆；焊接时焊缝背面用喷出氩气的随动垫块进行背面保护；
(6)在530-700℃进行真空热处理。
2.根据权利要求1所述的钛合金环形气瓶内胆的制造方法，其特征在于步骤(2)所述在钛合金圆环形半圆管的进、出气孔位置车孔，是用五轴联动数控车床进行车孔。
3.根据权利要求1所述的钛合金环形气瓶内胆的制造方法，其特征在于步骤(3)所述真空充氩保护室是先将室内抽真空至3-5Pa，再充入高纯氩气(≥99.99％)。
4.根据权利要求1所述的钛合金环形气瓶内胆的制造方法，其特征在于步骤(4)所述化学铣切两个钛合金圆环形半圆管的内壁厚度至0.5-4mm是将厚度大于铣切厚度的内壁铣切到所需厚度，该厚度取决于气瓶的耐压值，在化学铣切过程中，钛合金圆环形半圆管的外表面、进出气管、焊接法兰盘及法兰焊缝周围10～15mm范围涂覆防蚀刻漆，以保留原厚度。
5.根据权利要求1所述的钛合金环形气瓶内胆的制造方法，其特征在于步骤(5)所述焊接两个钛合金圆环形半圆管内外环焊缝形成封闭的内胆；焊接时焊缝背面用喷出氩气的随动垫块进行背面保护；具体步骤是：
(5-1)先焊接外环焊缝，设置一外环焊缝随动垫块，所述外环焊缝随动垫块的上表面为与内胆外环缝内壁面一致的弧面，所述弧面上设有焊缝成型槽，所述焊缝成型槽内设有多个氩气喷孔，所述外环焊缝随动垫块的一侧设有氩气接管，所述氩气接管与所述多个氩气喷孔连通，并以软管连接氩气源，所述外环焊缝随动垫块的下表面设有与焊缝平行的楔槽，焊接时，将被焊内胆垂直置放，将所述外环焊缝随动垫块由进或出气管置入环形内胆内，用一端部具有楔面的薄钢板由内环缝***内胆，并楔入外环缝随动垫块下表面的楔槽中而与外环焊缝随动垫块固定，将所述薄钢板与焊接机头固定，旋转内胆，通入氩气进行自动焊接，焊后取出外环焊缝随动垫块；
(5-2)焊接内环焊缝，设置一内环焊缝随动垫块，所述内环焊缝随动垫块的上表面为与内胆的内环缝内壁面一致的弧面，所述弧面上设有焊缝成型槽，所述焊缝成型槽内设有多个氩气喷孔，所述内环焊缝随动垫块的一侧设有氩气接管，所述氩气接管与所述多个氩气喷孔连通，并以软管连接氩气源，所述内环焊缝随动垫块的下表面弹性连接一重轮座，焊接时，将被焊内胆垂直置放，将所述具有重轮座的内环焊缝随动垫块由进或出气管置入环形内胆内，旋转内胆，则所述重轮座将保持位于内胆的最低位置，并通过弹性连接使内环焊缝随动垫块轻贴内环缝的内表面，通入氩气，进行自动焊接，焊后取出内环焊缝随动垫块及重轮座。
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