CN112025094A - 用于激光焊接ⅳ型储氢瓶内胆的连接件 - Google Patents

用于激光焊接ⅳ型储氢瓶内胆的连接件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件，由具有高阻隔性透明材料制成，形状为圆环状结构，圆环状结构的最大外直径与被焊接内胆外直径一致，最小内径小于等于被焊接内胆内径，焊缝处厚度大于或等于被焊接内胆壁厚。圆环状结构截面形状为凸字形、倒梯形、矩形、倒三角、倒凸字形或工字形等结构，考虑了高阻隔性不透明高分子复合材料的阻隔性和激光对焊均性要求，在提高激光对焊焊缝质量均匀性的同时不降低焊缝阻隔性。同时还考虑了材料改性对激光焊接性能的影响，通过使用粘接剂、改性处理和加入吸收剂等，提升储氢瓶不透明内胆激光焊接强度和密封性，激光焊接后的储氢瓶不透明内胆外表面平整光滑无突起，便于后期内胆纤维缠绕工艺处理。

Description

用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件
技术领域
本发明涉及高压储氢及高分子材料激光焊接成型领域，具体涉及用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件。
技术背景
氢气以其燃烧洁净度高、能量密度大的优势成为新能源产业的重要组成部分，其中气瓶储氢技术是发展氢气新能源的重要一环。气瓶储氢(压力储氢)技术在新能源汽车、管束储氢车等应用最为广泛。目前，气瓶储氢技术正朝着大容量高压高密度储氢方向发展，最前沿的储氢瓶是Ⅳ型储氢瓶。Ⅳ型储氢瓶中最重要的组成部分之一是塑料内胆。现有的Ⅳ型储氢瓶塑料内胆成型方法包括吹塑、滚塑、挤出+注塑+焊接成型。相比于吹塑、滚塑成型技术，挤出+注塑+焊接成型在储氢塑料内胆的成型中具有成型效率高、精度高、易成型复杂瓶口结构而被广泛研究。该综合技术的难点之一就是内胆的高效、高精度自动焊接。当前，针对Ⅳ型储氢瓶塑料内胆焊接最常用的焊接技术是激光焊接。激光焊接具有以下优势：(1)高效、周期短，适于大批量生产；(2)焊接质量高，密封性好；(3)可利用计算机实现自动化焊接；(4)能够进行异种聚合物的可靠焊接。
Ⅳ型储氢瓶内胆材料多为不透明材料，如以高密度聚乙烯(HDPE)或尼龙(PA)为主的复合材料，无法直接用于激光焊接。为解决激光焊接在保证材料阻隔性和强度的同时，无法直接焊接不透明内胆材料这一技术难题，针对50MPa以上高压大容量管束储氢瓶的需求，研制用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件迫在眉睫。
发明内容
本发明提出用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件，可解决高阻隔不透明材料激光对焊过程中激光无法均匀深入焊接界面的问题。相比于原有高压储氢瓶用塑料内胆激光对焊结构及工艺，本发明可为高压储氢瓶用塑料内胆高性能焊接提供更可靠、更均匀的焊接结构及方式。
本发明技术方案是：用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件，由具有高阻隔性透明材料制成，形状为圆环状结构，圆环状结构的最大外直径与被焊接内胆外直径一致，最小内径小于等于被焊接内胆内径，焊缝处厚度大于或等于被焊接内胆壁厚。
本发明用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件，圆环状结构截面优选类凸字形截面，即为凸字形截面，用以延长气体泄露路径进而提高阻隔性。凸字形截面上端两侧端面分别与内胆端面紧密接触，便于激光焊接；凸字形截面下端用于支撑、导向并可延长气体渗漏路径长度。
本发明用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件，所述连接件结构与内胆焊接的连接方式为：连接件为一个透明凸字形截面连接件，左右两端两直径尺寸较小圆环外表面与储氢瓶不透明内胆内表面配合，起到激光焊接两段储氢瓶不透明内胆的定位作用。中间直径尺寸较大的大圆环，其两侧端面与储氢瓶不透明内胆端面紧密贴合，利于激光焊接，大圆环外表面直径尺寸与储氢瓶不透明内胆直径尺寸相同，焊接后的储氢瓶不透明内胆外表面平整光滑无明显凸起，便于下一步储氢瓶内胆纤维缠绕加工。
所述用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件的成型工艺采用沿轴向变直径挤出或者注塑成型工艺。
本发明用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件，所述连接件结构与内胆焊接件的具体连接工艺为：将已成型好的两段待焊接内胆放置于焊接操作台上，并用夹具分别夹紧两段待焊接内胆。通过机械手将透明连接件移到两段待焊接内胆的中间。此时操作焊接导向机构使两段待焊接内胆端面逐渐与透明连接件端面接触并紧密连接。待紧密接触后，撤掉夹持透明连接件的机械手，继续保持两焊接内胆对中的压力，使用激光焊接设备分别对两段内胆与透明连接件的接触面进行激光照射焊接。
作为结构优选，将凸字形截面结构连接件的大圆环由矩形改为内部较窄、外部较宽的倒梯形，该结构扩大了激光焊接面积，进而降低激光焊接的角度偏移的难度并延长焊缝路径。在焊接之前需要对待焊接的内胆进行机加工使其端面能与连接件的倒梯形倾斜端面紧密贴合。
作为结构备选，连接件结构截面不采用凸字形截面，而直接采用矩形截面；作为备选的优选方案，连接件结构截面采用倒三角截面，被焊接内胆端面需机加工，保证内胆端面的光滑平整，与连接件结构端面紧密贴合。
作为结构优选，将凸字形截面连接件结构改为倒凸字形截面结构。连接件与内胆焊接的连接方式为：连接件结构为一个透明的倒凸字形截面结构圆环，中间直径尺寸较小圆环，其两侧端面与储氢瓶不透明内胆端面紧密贴合，起到激光焊接两段储氢瓶不透明内胆的定位作用。左右两直径尺寸较大圆环内表面与储氢瓶不透明内胆外表面配合，利于激光焊接。该倒凸字形截面结构圆环连接件在降低激光焊接角度偏移难度的同时，增大了储氢瓶内胆与连接件激光焊接的面积，在提高储氢瓶内胆激光焊接强度的同时，有效延长了氢气渗漏的路径。为保证储氢瓶内胆激光焊接后内胆外直径保持不变，便于下一步储氢瓶内胆纤维缠绕加工，此时需要对储氢瓶内胆焊接处进行缩口热成型工艺处理。内胆进行缩口热成型的基本过程如下：在距内胆端面一定距离处对内胆进行夹持固定，加热待缩口区域一定时间，成型凸模沿内胆轴向推进至指定位置，可活动的成型凹模沿内胆径向螺旋合拢，逐步缩小内胆缩口区域处直径直至完全贴合成型凸模外表面为止，并在一定压力下保压一段时间，等待内胆完全冷却，成型凹模沿内胆径向退开，成型凸模退出，完成内胆的缩口。另外，当连接件改为倒凸字形截面结构圆环时，储氢瓶内胆焊接处除进行缩口热成型处理工艺之外，储氢瓶内胆还可采用变直径挤出工艺，有利于减少激光焊接前内胆繁琐的缩口热成型处理工作，并有利于避免缩口热成型时引起的内应力。
作为结构优选，将倒凸字形截面结构连接件改为工字形截面结构连接件，该工字形截面结构连接件的外圆环内表面与储氢瓶不透明内胆外表面配合，用于激光照射焊接。中间圆环其两侧端面与储氢瓶不透明内胆端面紧密贴合，便于在内胆两端施加一定的压力。内圆环外表面与储氢瓶不透明内胆内表面贴合，与中间圆环同时起到激光焊接两段储氢瓶不透明内胆的定位作用，利于激光焊接。外圆环直径尺寸与储氢瓶不透明内胆直径尺寸相同，焊接后的储氢瓶不透明内胆外表面平整光滑无明显凸起，便于下一步储氢瓶内胆纤维缠绕加工。工字形截面结构连接件中的内圆环，可视作内胆中间设置的加强筋，不仅可以在储氢瓶内胆纤维缠绕加工时，有效提高内胆的刚度，缓解抵消纤维缠绕对内胆的部分压力，还可以分担部分储氢瓶工作过程中的内胆焊接界面的受力，增强内胆的冲击强度。
作为连接工艺优选，本发明用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件为凸字形或工字形截面结构时，尺寸较小圆环外表面与储氢瓶不透明内胆内表面间还可以使用粘接剂，使左右两端两尺寸较小圆环外表面与储氢瓶不透明内胆内表面粘合，增加储氢瓶内胆的连接的强度和密封性。
作为连接工艺优选，本发明用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件与储氢瓶不透明内胆激光焊接时，为增加激光焊接强度，可对储氢瓶不透明内胆进行改性处理，如接枝改性、低温等离子处理等。如等离子体处理后，高密度聚乙烯材料的储氢瓶不透明内胆表面的润湿性和表面自由能得到了提高，显著地改善了材料之间的粘结性，提高了高密度聚乙烯材料激光透射焊接性能。等离子体处理后，储氢瓶不透明内胆的表面产生很多均匀的凹凸、沟槽、微缝隙，增大了材料的表面粗糙度，增加了比表面积。聚合物表面粗糙度的增加使得焊接过程中上下层材料在熔融状态时易形成机械微铆接，增大了彼此之间的相互接触反应面积，易形成范德华力，提高了Ⅳ型储氢瓶内胆的焊接强度与密封性。
作为连接工艺优选，本发明用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶不透明内胆的连接件结构与储氢瓶不透明内胆激光焊接时，为增加内胆激光焊接强度，可对储氢瓶不透明内胆焊接处加入吸收剂，如炭黑等，增强的激光吸收能力，改善储氢瓶不透明内胆与透明尼龙材料连接件的温差，提升激光焊接性能，提高激光能量的利用率。
本发明用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶不透明内胆的连接件结构充分考虑了高阻隔性不透明高分子复合材料的阻隔性和激光对焊均匀性要求，在提高激光对焊焊缝质量均匀性的同时不降低焊缝阻隔性。同时，本发明考虑了材料改性对激光焊接性能的影响，通过使用粘接剂、改性处理和加入吸收剂等，提升储氢瓶不透明内胆激光焊接的强度和密封性，激光焊接后的储氢瓶不透明内胆外表面平整光滑无突起，便于后期内胆的纤维缠绕工艺处理。
附图说明
图1为用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件与内胆焊接结构示意图；
图2为用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的凸字形截面连接件结构示意图；
图3为用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件优选方案一倒梯形截面焊接结构示意图；
图4为用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件备选方案矩形截面焊接结构示意图；
图5为用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件备选的优选方案倒三角截面焊接结构示意图；
图6为用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件优选方案二倒凸字形截面焊接结构示意图；
图7为用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件优选方案三工字形截面焊接结构示意图。
图中：1-储氢瓶内胆；2-凸字形截面结构连接件；3-倒梯形截面结构连接件；4-矩形截面结构连接件；5-倒三角截面结构连接件；6-倒凸字形截面结构连接件；7-工字形截面结构连接件；2-1-凸字形截面结构连接件中间大圆环；2-2-凸字形截面结构连接件两侧小圆环；6-1-倒凸字形截面结构连接件中间小圆环；6-2-倒凸字形截面结构连接件两侧大圆环；7-1-工字形截面结构连接件外圆环；7-2-工字形截面结构连接件中间圆环；7-3-工字形截面结构连接件内圆环。
具体实施方式
本发明用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件主要特征为：材料为高阻隔性材料，圆环结构，制件透明。如图1所示，所述凸字形截面结构连接件2的外直径与内胆1外直径一致，凸字形截面结构连接件2的内径小于等于内胆1内径，焊缝处厚度大于等于内胆1壁厚。如图2所示，所述连接件结构优选凸字形截面结构连接件2。如图1所示，该凸字形截面结构连接件2中间大圆环2-1两侧端面分别与内胆1端面紧密接触；凸字形截面结构连接件2左右两侧两小圆环2-2用于支撑、导向与并延长气体渗漏路径长度。
所述连接件结构与内胆1焊接的连接方式为：连接件为一个透明凸字形截面结构连接件2，左右两端两直径尺寸较小圆环2-2外表面与储氢瓶不透明内胆1内表面配合，起到激光焊接两段储氢瓶不透明内胆1的定位作用。中间直径尺寸较大的大圆环2-1，其两侧端面与储氢瓶不透明内胆1端面紧密贴合，利于激光焊接，大圆环2-1外表面直径尺寸与储氢瓶不透明内胆1直径尺寸相同，焊接后的储氢瓶不透明内胆1外表面平整光滑无明显凸起。
所述用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件的成型工艺采用沿轴向变直径挤出或者注塑成型工艺。
所述连接件结构与内胆焊接件的具体连接工艺为：将已成型好的两段待焊接内胆放置于焊接操作台上，并用夹具分别夹紧两段待焊接内胆。通过机械手将透明连接件移到两段待焊接内胆的中间。此时操作焊接导向机构使两段待焊接内胆端面逐渐与透明连接件端面接触并紧密连接。待紧密接触后，撤掉夹持透明连接件的机械手，继续保持两焊接内胆对中的压力，使用激光焊接设备分别对两段内胆与透明连接件的接触面进行激光照射焊接。
如图3所示，作为结构优选，将凸字形截面结构连接件2的大圆环2-1从矩形改为内部较窄，外部较宽的倒梯形。该倒梯形截面结构连接件3扩大了激光焊接面积，能有效降低激光焊接的角度偏移的难度并延长焊缝路径。在焊接之前需要对待焊接的内胆1进行机加工使其端面能与倒梯形截面结构连接件3的倾斜端面紧密贴合。
如图4所示，作为结构备选，连接件结构截面不采用凸字形截面，而直接采用矩形截面4；如图5所示，作为备选的优选方案，连接件结构截面采用倒三角截面5，待焊接的内胆1端面需机加工，保证内胆1端面的光滑平整，与连接件结构端面紧密贴合。
如图6所示，作为结构优选，将凸字形截面结构连接件2改为倒凸字形截面结构。该倒凸字形截面结构连接件6与内胆1焊接的连接方式为：倒凸字形截面结构连接件6为一个透明的倒凸字形截面结构圆环，中间直径尺寸较小圆环6-1，其两侧端面与储氢瓶不透明内胆1端面紧密贴合，起到激光焊接两段储氢瓶不透明内胆1的定位作用。左右两侧两直径尺寸较大圆环6-2内表面与储氢瓶不透明内胆1外表面配合，利于激光焊接。该倒凸字形截面结构连接件6在降低激光焊接角度偏移难度的同时，增大了储氢瓶内胆1激光焊接的面积，在提高储氢瓶内胆1激光焊接强度的同时，有效延长了氢气渗漏的路径。为保证储氢瓶内胆激光焊接后内胆1外直径保持不变，便于下一步储氢瓶内胆1纤维缠绕加工，此时需要对储氢瓶内胆1焊接处进行缩口热成型工艺处理。内胆进行缩口热成型的基本过程如下：在距内胆端面一定距离处对内胆进行夹持固定，加热待缩口区域一定时间，成型凸模沿内胆轴向推进至指定位置，可活动的成型凹模沿内胆径向螺旋合拢，逐步缩小内胆缩口区域处直径直至完全贴合成型凸模外表面为止，并在一定压力下保压一段时间，等待内胆完全冷却，成型凹模沿内胆径向退开，成型凸模退出，完成内胆的缩口。另外，当连接件改为倒凸字形截面结构圆环时，储氢瓶内胆焊接处除进行缩口热成型处理工艺之外，储氢瓶内胆还可采用变直径挤出工艺，有利于减少激光焊接前内胆繁琐的缩口热成型处理工作，并有利于避免缩口热成型时引起的内应力。
如图7所示，作为结构优选，将倒凸字形截面结构连接件6改为工字形截面结构连接件7，该工字形截面结构连接件7的外圆环7-1内表面与储氢瓶不透明内胆1外表面配合，用于激光照射焊接。中间圆环7-2其两侧端面与储氢瓶不透明内胆1端面紧密贴合，便于在内胆1两端施加一定的压力。内圆环7-3外表面与储氢瓶不透明内胆1内表面贴合，与中间圆环7-2同时起到激光焊接两段储氢瓶不透明内胆1的定位作用，利于激光焊接。外圆环7-1直径尺寸与储氢瓶不透明内胆1直径尺寸相同，焊接后的储氢瓶不透明内胆1外表面平整光滑无明显凸起，便于下一步储氢瓶内胆1纤维缠绕加工。工字形截面结构连接件7中的内圆环7-3，可视作内胆中间设置的加强筋，不仅可以在储氢瓶内胆纤维缠绕加工时，有效提高内胆1的刚度，缓解抵消纤维缠绕对内胆1的部分压力，还可以分担部分储氢瓶工作过程中的内胆1焊接界面的受力，增强内胆1的冲击强度。
作为连接工艺优选，本发明用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆1的连接件结构为凸字形或工字形截面结构时，尺寸较小圆环(2-2或7-3)外表面与储氢瓶不透明内胆1内表面间还可以使用粘接剂，使左右两端两尺寸较小圆环(2-2或7-3)外表面与储氢瓶不透明内胆1内表面粘合，增加储氢瓶内胆1的连接的强度和密封性。
作为连接工艺优选，本发明用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆1的连接件结构与储氢瓶不透明内胆1激光焊接时，为增加激光焊接强度，可对储氢瓶不透明内胆1进行改性处理，如接枝改性、低温等离子处理等。如等离子体处理后，高密度聚乙烯材料的储氢瓶不透明内胆1表面的润湿性和表面自由能得到了提高，显著地改善了材料之间的粘结性，提高了高密度聚乙烯材料激光透射焊接性能。等离子体处理后，储氢瓶不透明内胆1的表面产生很多均匀的凹凸、沟槽、微缝隙，增大了材料的表面粗糙度，增加了比表面积。聚合物表面粗糙度的增加使得焊接过程中上下层材料在熔融状态时易形成机械微铆接，增大了彼此之间的相互接触反应面积，易形成范德华力，提高了Ⅳ型储氢瓶内胆1的焊接强度与密封性。
作为连接工艺优选，本发明用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶不透明内胆1的连接件结构与储氢瓶不透明内胆1激光焊接时，为增加内胆1激光焊接强度，可对储氢瓶不透明内胆1焊接处加入吸收剂，如炭黑等，增强的激光吸收能力，改善储氢瓶不透明内胆1与透明尼龙材料连接件的温差，提升激光焊接性能，提高激光能量的利用率。

Claims (10)

1.用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件，其特征在于：由具有高阻隔性透明材料制成，形状为圆环状结构，圆环状结构的最大外直径与被焊接内胆外直径一致，最小内径小于等于被焊接内胆内径，焊缝处厚度大于或等于被焊接内胆壁厚。
2.根据权利要求1所述的用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件，其特征在于：圆环状结构的截面形状为为凸字形截面，凸字形截面上端两侧端面分别与内胆端面紧密接触，便于激光焊接；凸字形截面下端用于支撑、导向并可延长气体渗漏路径长度；左右两端两直径尺寸较小圆环外表面与储氢瓶不透明内胆内表面配合，起到激光焊接两段储氢瓶不透明内胆的定位作用，中间直径尺寸较大的大圆环，其两侧端面与储氢瓶不透明内胆端面紧密贴合，利于激光焊接；大圆环外表面直径尺寸与储氢瓶不透明内胆直径尺寸相同，焊接后的储氢瓶不透明内胆外表面平整光滑无明显凸起。
3.根据权利要求1所述的用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件，其特征在于：圆环状结构的截面形状为内部较窄、外部较宽的倒梯形，对待焊接的内胆进行机加工使其端面能与连接件的倒梯形倾斜端面紧密贴合。
4.根据权利要求1所述的用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件，其特征在于：圆环状结构的截面形状为矩形截面或倒三角截面，被焊接内胆端面需机加工，保证内胆端面的光滑平整，与连接件结构端面紧密贴合。
5.根据权利要求1所述的用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件，其特征在于：圆环状结构的截面形状为倒凸字形截面结构，中间直径尺寸较小圆环，其两侧端面与储氢瓶不透明内胆端面紧密贴合；左右两直径尺寸较大圆环内表面与储氢瓶不透明内胆外表面配合。
6.根据权利要求5所述的用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件，其特征在于：对储氢瓶内胆焊接处进行缩口热成型工艺处理，在距内胆端面一定距离处对内胆进行夹持固定，加热待缩口区域一定时间，成型凸模沿内胆轴向推进至指定位置，可活动的成型凹模沿内胆径向螺旋合拢，逐步缩小内胆缩口区域处直径直至完全贴合成型凸模外表面为止，并在一定压力下保压一段时间，等待内胆完全冷却，成型凹模沿内胆径向退开，成型凸模退出，完成内胆的缩口。
7.根据权利要求1所述的用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件，其特征在于：圆环状结构的截面形状为工字形，外圆环内表面与储氢瓶不透明内胆外表面配合，中间圆环其两侧端面与储氢瓶不透明内胆端面紧密贴合；内圆环外表面与储氢瓶不透明内胆内表面贴合，与中间圆环同时起到激光焊接两段储氢瓶不透明内胆的定位作用，利于激光焊接；外圆环直径尺寸与储氢瓶不透明内胆直径尺寸相同，焊接后的储氢瓶不透明内胆外表面平整光滑无明显凸起，便于下一步储氢瓶内胆纤维缠绕加工；工字形截面结构连接件中的内圆环，作为内胆中间设置的加强筋。
8.根据权利要求1所述的用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件，其特征在于：尺寸较小圆环外表面与储氢瓶不透明内胆内表面间使用粘接剂，使左右两端两尺寸较小圆环外表面与储氢瓶不透明内胆内表面粘合。
9.根据权利要求1所述的用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件，其特征在于：对内胆进行接枝改性或低温等离子处理。
10.根据权利要求1所述的用于激光焊接Ⅳ型储氢瓶内胆的连接件，其特征在于：在内胆焊接处材料中加入吸收剂。
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