CN103537585A - 一种超高强度钢制无缝高压气瓶的成形制造方法 - Google Patents

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邵飞
邓春锋
任方杰
常磊
张庆旭
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Abstract

本发明属于无缝钢管的加工技术领域，提出一种超高强度钢制无缝高压气瓶的成形制造方法，所提出的超高强度钢制无缝高压气瓶的成形制造方法，其具体步骤如下：1）将用于加工成大容积钢制无缝气瓶的无缝钢管收口段加热到1000℃~1200℃；2）对无缝钢管的收口段进行8~10道次半球形收口旋压得到半球形瓶肩；3）对无缝钢管进行3~4道次瓶口旋压成形得到瓶口；4）表面精整旋压。本发明实现了用屈服强度大于980MPa的超高强度钢制成40MPa级的无缝高压气瓶；克服了传统方法生产的焊接气瓶中与焊缝有关的不连续、强度降低、脆裂和拉应力集中等缺陷，大幅提高了气瓶的气密性和耐压性能。

Description

一种超高强度钢制无缝高压气瓶的成形制造方法
技术领域
本发明属于无缝钢管的加工技术领域，涉及一种超高强度钢制无缝高压气瓶的成形制造方法，特别适用于性能、质量要求严格的40MPa级大容积钢制无缝高压气瓶。
背景技术
目前我国船舶用25MPa高压气瓶采用的是钢制焊接结构气瓶，制造工艺为：首先将钢板卷成筒形，通过焊接形成气瓶筒体，然后采用冲压方法将钢板冲压成封头形状，最后将封头和气瓶筒体两端焊接在一起制成高压气瓶，这样制造的气瓶有一条纵向焊缝和两条环焊缝。而我国军标GJB5049-2001《XX用高压空气瓶通用规范》中明确规定，额定工作压力大于30MPa的高压空气瓶必须采用无缝结构。
对于我国大力发展面向深海的新型船舶，现有的25Mpa有缝高压气瓶已不能满足需要，必须将高压空气瓶的压力级别提高到40Mpa且采用无缝结构，采用无缝结构从根本上克服了传统方法生产的焊接气瓶中与焊缝有关的不连续、强度降低、脆裂和拉应力集中等缺陷，大幅提高气瓶的气密性和耐压性能。因此，对于40MPa级高压气瓶需要使用材料为屈服强度大于980MPa的超高强度钢并且采用无缝结构，但是对于40MPa级这类材料的钢制无缝高压气瓶的成形制造技术，国内尚未见报道。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提出一种超高强度钢制无缝高压气瓶的成形制造方法。
一种超高强度钢制无缝高压气瓶的成形制造方法，其具体步骤如下：
1）钢管收口段加热：将用于加工成大容积钢制无缝气瓶的无缝钢管收口段加热到1000℃~1200℃，在此温度范围内超高强度钢具有较好的变形能力有利于旋压收口成形；
 2）瓶肩成形：对无缝钢管的收口段进行补热，补热温度控制在1100℃~1200℃，在此温度范围内超高强度钢具有较好的变形能力有利于旋压收口成形，用旋压机主轴卡爪卡紧无缝钢管，使其以150~300r/min的转速旋转，将旋轮的工作面靠近无缝钢管收口段外表面，对其进行8~10道次半球形收口旋压，每道次旋轮在无缝钢管收口段外表面向内轴向进给后，按照半圆形状轨迹以1500~2500mm/min的摆动速度从无缝钢管收口段外表面向瓶口中心摆动，再按照相同的轨迹以5000mm/min摆动速度返回到钢管收口段外表面；其中，第一道次收口旋压的旋轮转角为30~38°，以后各道次对应的旋轮转角依次递增2~5°，各道次对应的旋轮转角依次递增2~5°，既能够保证完成气瓶封底又能够避免旋轮转角增加过大造成设备过载；最后获得半球形瓶肩；第一道次收口旋压对应的旋轮轴向进给量为110~150mm，其后各道次收口旋压对应的旋轮轴向进给量为15~30mm，既能够保证气瓶瓶肩成形，又能避免补料不足或者补料过多造成的设备过载；
3）瓶口成形：保持对无缝钢管补热，并且保持旋压机的主轴转速不变，对其进行3~4道次瓶口旋压成形，各道次旋轮在无缝钢管收口段的外表面向内轴向进给10~20mm后，按照半圆形状轨迹以1500~2500mm/min的摆动速度从无缝钢管收口段外表面向瓶口中心摆动50~60°，再按照半圆形轨迹以5000mm/min的摆动速度返回到钢管收口段外表面，第一道次旋轮转角的度数范围50~60°，其后各道次旋轮转角依次递增1~5°；最后一道次旋轮保持角度不变再沿轴向向外移动20~30mm，再按照半圆形状轨迹以5000mm/min的摆动速度返回到钢管收口段外表面，形成瓶口；
4）表面精整旋压：继续对无缝钢管补热，并且保持旋压机主轴转速不变，旋轮从无缝钢管收口段外表面沿已成形的气瓶端部形状轨迹，以500~600mm/min的转速运动到瓶口后沿瓶口外表面运动到端部，保证整个半球形瓶肩和端部瓶口表面光滑，从而完成无缝气瓶的热旋压收口成形。 
所述的无缝钢管的材料为屈服强度大于980MPa的超高强度钢。
所述的超高强度钢为屈服强度大于980MPa的铬钼钢QP9100。
无缝钢管收口段加热长度L与钢管外径φ的数学关系为：L=φ+（30~60mm）。
本发明提出的一种超高强度钢制无缝高压气瓶的成形制造方法，采用上述技术方案，实现了用屈服强度大于980MPa的超高强度钢制成40MPa级的无缝高压气瓶；采用直接加工成瓶肩再成型瓶口的方式与现有技术中通过封口、底部增厚再加工瓶口口的方式相比，提高了工作效率；采用无缝结构从根本上克服了传统方法生产的焊接气瓶中与焊缝有关的不连续、强度降低、脆裂和拉应力集中等缺陷，大幅提高了气瓶的气密性和耐压性能。
附图说明
图1 采用旋压机对无缝钢管进行热旋压收口加工的状态示意图。
图2为图1中旋轮的结构示意图。
图3为无缝钢管旋压加工前示意图。
图4为无缝钢管经第一道次旋压收口后的状态示意图。
图5为无缝钢管瓶肩旋压收口后未进行瓶口加工前的状态示意图。
图6瓶口成形旋压加工后的结构示意图。
图中：1、旋压机，2、主轴卡爪，3、无缝钢管，4、滑架；B是旋轮宽度，R是旋轮圆角，L是无缝钢管加热段的长度。
具体实施方式
结合附图和具体实施例对本发明加以说明：
如图1、图2所示，该实施例以水容积为410L的40MPa级钢制无缝高压气瓶为例，采用直径φ=470mm的为铬钼钢QP9100的无缝钢管；旋轮宽度B=140mm，旋轮圆角R=30mm；采用进口的CTA-660热旋压收口机，旋压收口的工艺过程如下：
一种超高强度钢制无缝高压气瓶的成形制造方法，其具体步骤如下：
1）钢管收口段加热：结合图3，采用中频感应炉将无缝钢管收口段加热到1150℃，收口加热段长度L为：L=520 mm；
 2）瓶肩成形：结合图4、图5，采用火焰喷枪对无缝钢管的收口段进行补热，补热温度为1150℃，结合图1，用旋压机1的主轴卡爪2卡紧无缝钢管3，使其以250r/min的转速旋转，将旋轮的工作面靠近无缝钢管收口段外表面，对其进行9道次半球形收口旋压，每道次旋轮在无缝钢管收口段外表面向内轴向进给后，按照半圆形状轨迹以2500mm/min的摆动速度从无缝钢管收口段外表面向瓶口中心摆动，再按照相同的轨迹以5000mm/min摆动速度返回到钢管收口段外表面；最后获得半球形瓶肩；其中，各道次收口旋压的旋轮转角B分别为30°，33°，36°，39°，44°，49°，54°，56°，58°；各道次旋轮在无缝钢管收口段外表面向内轴向进给的进给量分别是-140mm，-22mm，-22mm，-21mm，-21mm，-21mm，-20mm，-20mm，-19mm(这里的“-”表示沿轴向向内进给)；
3）瓶口成形：保持对无缝钢管补热，并且保持旋压机的主轴转速不变，对其进行3道次瓶口旋压成形，各道次旋轮在无缝钢管收口段的外表面向内轴向进给后，按照半圆形状轨迹以2500mm/min的摆动速度从无缝钢管收口段外表面向瓶口中心摆动50~60°，再按照半圆形轨迹以5000mm/min的摆动速度返回到钢管收口段外表面，各道次收口旋压的旋轮转角为50°、52°和54°；各道次旋轮在无缝钢管收口段外表面向内轴向进给的进给量分别是-18mm，-17mm，-15 mm；最后一道次旋轮保持角度不变再沿轴向向外移动30mm，再按照半圆形状轨迹以5000mm/min的摆动速度返回到钢管收口段外表面，形成瓶口；
4）表面精整旋压：结合图6，继续对无缝钢管补热，并且保持旋压机主轴转速不变，旋轮从无缝钢管收口段外表面沿已成形的气瓶端部形状轨迹，以600mm/min的转速运动到瓶口后沿瓶口外表面运动到端部，保证整个半球形瓶肩和端部瓶口表面光滑，从而完成无缝气瓶的热旋压收口成形,。 
对旋压收口得到的气瓶瓶肩和瓶口解剖后发现，气瓶瓶肩和瓶口内外表面整洁无缺陷，从钢管外壁到瓶口根部壁厚逐渐增加，瓶口内径、外径和壁厚满足使用要求。

Claims (4)

1.一种超高强度钢制无缝高压气瓶的成形制造方法，其特征在于：所述成形制造方法的具体步骤如下：
1）钢管收口段加热：将用于加工成大容积钢制无缝气瓶的无缝钢管收口段加热到1000℃~1200℃；
 2）瓶肩成形：对无缝钢管的收口段进行补热，补热温度控制在1100℃~1200℃，用旋压机主轴卡爪卡紧无缝钢管，使其以150~300r/min的转速旋转，将旋轮的工作面靠近无缝钢管收口段外表面，对其进行8~10道次半球形收口旋压，每道次旋轮在无缝钢管收口段外表面向内轴向进给后，按照半圆形状轨迹以1500~2500mm/min的摆动速度从无缝钢管收口段外表面向瓶口中心摆动，再按照相同的轨迹以5000mm/min摆动速度返回到钢管收口段外表面；其中，第一道次收口旋压的旋轮转角为30~38°，以后各道次对应的旋轮转角依次递增2~5°，最后获得半球形瓶肩；第一道次收口旋压对应的旋轮轴向进给量为110~150mm，其后各道次收口旋压对应的旋轮轴向进给量为15~30mm；
3）瓶口成形：保持对无缝钢管补热，并且保持旋压机的主轴转速不变，对其进行3~4道次瓶口旋压成形，各道次旋轮在无缝钢管收口段的外表面向内轴向进给10~20mm后，按照半圆形状轨迹以1500~2500mm/min的摆动速度从无缝钢管收口段外表面向瓶口中心摆动50~60°，再按照半圆形轨迹以5000mm/min的摆动速度返回到钢管收口段外表面，第一道次旋轮转角的度数范围50~60°，其后各道次旋轮转角依次递增1~5°；最后一道次旋轮保持角度不变再沿轴向向外移动20~30mm，再按照半圆形状轨迹以5000mm/min的摆动速度返回到钢管收口段外表面，形成瓶口；
4）表面精整旋压：继续对无缝钢管补热，并且保持旋压机主轴转速不变，旋轮从无缝钢管收口段外表面沿已成形的气瓶端部形状轨迹，以500~600mm/min的转速运动到瓶口后沿瓶口外表面运动到端部，保证整个半球形瓶肩和端部瓶口表面光滑，从而完成无缝气瓶的热旋压收口成形。
2.根据权利要求1所述的一种超高强度钢制无缝高压气瓶的成形制造方法，其特征在于：所述的无缝钢管的材料为屈服强度大于980MPa的超高强度钢。
3.根据权利要求1所述的一种超高强度钢制无缝高压气瓶的成形制造方法，其特征在于：所述的超高强度钢为屈服强度大于980MPa的铬钼钢QP9100。
4.根据权利要求1所述的一种超高强度钢制无缝高压气瓶的成形制造方法，其特征在于：无缝钢管收口段加热长度L与钢管外径φ的数学关系为：L=φ+（30~60mm）。
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