CN106917953A - 一种薄壁钢质内胆的制造方法及其用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种薄壁钢质内胆的制造方法及其用途。所述薄壁钢质内胆的制造方法包括步骤:(1)采用强旋工艺使钢管的两端长度分别为200‑400毫米的封头的厚度分别为3‑5毫米,钢管主体的厚度为2‑3毫米;(2)将步骤(1)获得的强旋减薄后的钢管进行旋压收底和刮板收口,成型获得薄壁钢质内胆。

Description

一种薄壁钢质内胆的制造方法及其用途
技术领域
[0001] 本发明涉及压力容器制造领域。更具体地涉及一种薄壁钢质内胆纤维全缠绕复合 气瓶的制造方法。
背景技术
[0002] 随着新能源技术的不断发展,与之配套的能源装配储运技术近年来也得到长足发 展,国内外对于盛装能源介质特别是气体介质的压力气瓶的需求也大幅增加,目前国内市 场应用于高压气体储运的气瓶绝大多数为全金属或者具有金属内胆的纤维缠绕增强气瓶;
[0003] 不论是全金属气瓶还是环缠绕钢质内胆的二型瓶都存在容重比很低的问题,且金 属容易腐蚀使用过程中受一定环境条件的限制,所以现在一些气瓶企业在生产铝内胆全缠 绕复合气瓶,该气瓶的容重比较高,但是由于铝的成型工艺很复杂,生产过程中报废率很 高,而且铝合金价格较高;所以铝内胆全缠绕复合气瓶价格很贵,限制了它的应用;
[0004] 因此,本领域迫切需要提供一种可广泛应用的容重比又比较高的全金属气瓶。
发明内容
[0005] 本发明旨在提供一种新的全金属气瓶的制造方法。
[0006] 在本发明的第一方面,提供了一种薄壁钢质内胆的制造方法,所述方法通过收底、 铣底、收口、热处理、内胆内、外表面抛光和螺纹加工使内胆成型,所述方法中:
[0007] (1)采用强旋工艺使钢管的两端长度分别为200-400毫米的封头的厚度分别为3-5 毫米,钢管主体的厚度为2-3毫米;
[0008] (2)将强旋减薄后的钢管进行旋压收底和刮板收口。
[0009] 在另一优选例中,所述旋压收底是使钢管的一端封头在1000-1100°C加热40-60秒 后进入旋压机进行旋压收底。
[0010] 在另一优选例中,所述刮板收口是使钢管的另一端封头在1000-1100°C加热40-60 秒后进入刮板机进行刮板收口。
[0011] 在另一优选例中,所述热处理使内胆力学强度控制在800-lOOOMPa;更优选在850-1 OOOMPa;最优选在890-950MPa。
[0012] 在另一优选例中,所述钢管主体与两个封头之间的过渡段的钢管的长度为45-55 毫米。
[0013] 在另一优选例中,所述钢管两个封头的长度分别为260-300毫米。
[0014] 在另一优选例中,两个封头的厚度分别为4 • 5-4.6毫米。
[0015] 在另一优选例中,钢管主体的厚度为2-3毫米。
[0016]在另一优选例中,所述过渡段的厚度是渐变的,例如其厚度从近主体部分的2-3mm 渐变到4.5-4.6mm靠近封头的部分。
[0017] 在另一优选例中,所述薄壁钢质内胆是气瓶用内胆;所述钢管是无缝钢管。
[0018]在本发明的第二方面,提供了一种复合气瓶的制造方法,所述方法包括的步骤如 上所述的本发明提供的薄壁钢质内胆成型、内胆外表面喷涂电防腐漆、纤维缠绕和固化。 [0019]据此,本发明提供了一种可广泛应用的容重比又比较高的全金属气瓶。
附图说明
[0020]图1为强旋工艺后的钢管的剖面图;其中
[0021] L表示钢管的主体;L1表示钢管两端的封头;L2表示钢管主体与两端封头之间的过 渡段;hi表示钢管主体的厚度;h表示两端封头的厚度。
[0022]图2为成品剖面图;其中1表示钢质内胆,2表示纤维复合层。
具体实施方式
[0023]发明人经过广泛而深入的研宄,采用强旋工艺使金属内胆的各个部位形成不同的 厚度,并对减薄的钢管进行旋压收底和刮板收口使金属内胆成型。在此基础上,完成了本发 明。
[0024]如本发明所用,“强旋工艺”又称“强力旋压成形技术”,是指毛坯与芯模共同旋转, 由旋轮进给并施加压力,使毛坯紧贴芯模逐点局部变形的冲压成形工艺。可以使用旋压机 或机床进行,可成形如圆筒形、锥形、抛物面形成或其它各种曲线构成的旋转体,也可加工 相当复杂形状的旋转体零件。本发明经过强旋工艺使常规壁厚的钢管减薄,附图1显示了钢 管减薄后的情况。
[0025]如本发明所用,“统底工序”是为了去除内胆底部的存在的缺陷,例如氧化皮、凹坑 以及细小裂纹等缺陷。
[0026] 薄壁钢质内胆的制造
[0027]本发明提供一种用于复合气瓶的金属内胆的制造方法,步骤包括无缝钢管强旋、 旋压收底、铣底、刮板收口、热处理、内胆的内、外表面抛光、螺纹加工等工序,其中采用强旋 工艺使无缝钢管壁厚减薄,且钢管的两端封头和主体部分厚度不同;另外还要使强旋减薄 后的钢管的两端分别进行旋压收底和刮板收口。
[0028] 参照附图1,钢管的两端长度分别为200-400毫米的封头(L1)的厚度〇1)分别为3-5 毫米;钢管主体(L)的厚度(hi)为2-3毫米。
[0029] 钢管两端封头的长度优选为260-300毫米。
[0030] 钢管两端封头的厚度优选为4.5-4.6毫米。
[0031] 钢管主体的厚度优选为2.5毫米。
[0032] 钢管过渡段(L2)的厚度是渐变的,例如其厚度从近主体部分的2-3mm渐变到两端 封头的 4.5-4.6mm。
[OO33] 对强旋减薄后的钢管的一端封头进行加热,加热好的钢管进入旋压机进行旋压收 底。旋压机的程序是不固定的。
[0034]对强旋减薄后的钢管的另一端封头进行加热,加热后的钢管进入到刮板收口工 序。
[0035] 在本发明的一种优选实施方式中,旋压收底后内胆半成品进入铣底工序,铣底后 的内胆半成品进入到刮板收口工序。可以使用本领域常规的方式进行铣底工艺。
[0036] 铣底后需进行热处理以对钢质内胆进行调质,提高内胆的力学性能,一般热处理 后的内胆强度控制在800-1000MPa;优选在850-1000MPa;更优选在890-950MPa。
[0037] 热处理后需对内胆内、夕卜表面进行处理,主要是内胆的内、夕卜表面抛光处理,使内 胆内外表面平整,去除表面缺陷。
[0038] 内胆的内、外表面进行处理后可使用本领域的常规方式进行螺纹加工,以便后期 安装阀门等。
[0039] 复合气瓶的制造
[0040] 本发明提供一种复合气瓶的制造方法,包括步骤:上述本发明提供的薄壁钢质内 胆成型、纤维缠绕和产品固化;进一步地,若使用碳纤维缠绕,还可以包括内胆外表面喷漆。
[0041] 可以使用本领域常用的方式对金属内胆进行纤维缠绕,例如但不限于,玻璃纤维 经过沾有胶液的胶辊,即玻璃纤维的进胶方式采用上进胶,控制单根纱的张力为1 〇-1SN,然 后按照预先编好的缠绕程序使用四维数控缠绕机将纤维紧密缠绕在金属内胆上,所用的纤 维缠绕方式可以是环向缠绕与螺旋缠绕相互结合往复循环的缠绕方式,也可以采用任何能 够将纤维紧密缠绕在金属内胆上的其他缠绕方式。
[0042] 缠绕所用的原材料主要包括碳纤维缠绕、玻璃纤维、芳纶纤维或者其他有机纤维 等,优选玻璃纤维、树脂胶液、固化剂和助剂;玻璃纤维的拉伸强度不低于1.35GPa,剪切强 度不低于13.8MPa;树脂胶液水域温度控制在32-45°C,胶液温度控制在30-4(TC,环境温度 控制在25-3(TC;单个气瓶的玻璃纤维含胶量(树脂胶液的重量/树脂胶液+玻璃纤维的总重 量)控制在25 %-30 %。
[0043] 在本发明的一种实施方式中,采用的用于缠绕的树脂体系为酸酐体系,即指树脂 胶液采用的固化剂为酸酐固化剂,树脂胶液在25-28°C范围内的可操作时间为6-8小时;胶 液的固化方式为:一区温度80±5°C,固化时间:2±0.5小时;二区温度120±5°C,固化时间2 ±0.5小时;三区温度110 ±5°C,固化时间2±0.5小时。;树脂体系固化后的剪切强度要在 13.8MPa以上。在本发明的一个实施例中,所述酸酐体系的配比为环氧树脂128:甲基四氢苯 酐:促进剂N,N-二甲基苄胺:消泡剂ACP1400约为100:85:1:1。
[0044] 如果使用碳纤维缠绕,由于碳纤维具有导电性,碳纤维的复合材料与金属之间会 形成电位差,从而导致金属材料的电偶腐蚀,所以金属内胆在使用碳纤维缠绕时均需要喷 漆;可以采用本领域常规的方式进行喷漆,例如但不限于,静电喷涂。
[0045] 在本发明的一个实施例中,采用静电喷涂方式;主要包括下述步骤:
[0046] 1、生产前清擦工件表面,去除表面附着物保证工件表面清洁;
[0047] 2、调整供粉气压控制在〇. 15-0.3MPa;
[0048] 3、调整喷枪与工件之间的距离控制在1 〇〇—200mra;
[0049] 4、工件进行表面喷涂;
[0050] 5、进行了喷涂后进入固化炉,固化炉温度为190。〇 ± l〇°C,固化时间为3-5小时。
[0051]进行了纤维缠绕后需进行产品固化,在本发明的一个实施例中,固化时,一区温度 80 ± 5。(:,固化时间:2 ±0 •5小时;二区温度120 ± 5。(:,固化时间2±0.5小时;三区温度110土 5°C,固化时间2 ±0.5小时。
[0052]在本发明的一种实施方式中,经过固化的产品可采用本领域的常规方法进行水压 试验、气密试验等。
[0053]虽然用以界定本发明较广范围的数值范围与参数皆是约略的数值,此处已尽可能 精确地呈现具体实施例中的相关数值。然而,任何数值本质上不可避免地含有因个别测试 方法所致的标准偏差。在此处,“约”通常是指实际数值在一特定数值或范围的正负10%、 5%、1%或0.5%之内。或者是,“约”一词代表实际数值落在平均值的可接受标准误差之内, 视本领域技术人员的考虑而定。除了实验例之外,或除非另有明确的说明,当可理解此处所 用的所有范围、数量、数值与百分比(例如用以描述材料用量、时间长短、温度、操作条件、数 量比例及其它相似者)均经过“约”的修饰。因此,除非另有相反的说明,本说明书与附随权 利要求书所揭示的数值参数皆为约略的数值,且可视需求而更动。至少应将这些数值参数 理解为所指出的有效位数与套用一般进位法所得到的数值。
[0054] 本发明提到的上述特征,或实施例提到的特征可以任意组合。本案说明书所揭示 的所有特征可与任何组合物形式并用,说明书中所揭示的各个特征,可以任何可提供相同、 均等或相似目的的替代性特征取代。因此除有特别说明,所揭示的特征仅为均等或相似特 征的一般性例子。
[0055] 本发明的主要优点在于:
[0056] 1、本发明提供了一种容重比高的纤维全缠绕金属气瓶。
[0057] 3、本发明提供的纤维全缠绕金属气瓶成本低。
[0058] 下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法,通常按照常规条 件或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明,否则所有的百分数、比率、比例、或份数按 重量计。本发明中的重量体积百分比中的单位是本领域技术人员所熟知的,例如是指在100 毫升的溶液中溶质的重量。除非另行定义,文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟 练人员所熟悉的意义相同。此外,任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于 本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
[0059] 实施例
[0060] 一、制作薄壁钢质内胆:
[0061] (1)无缝钢管经强旋后,钢管两端L1的长度控制在260-300mm,厚度为4 • 5-4.6mm, 长度L的厚度为2 • 5mm;过渡段L2 (即钢管厚度由2 • 5mm过渡至[J4 • 5臟)的长度50mm。渗见附图 1)
[0062] (2)强旋壁厚减薄的钢管首先经过烤料架对钢管L1端进行加热,加热温度控制在 1000-1100 °C,加热时间控制在40-60S;加热好的钢管进入旋压机,进行旋压收底;旋压程序 设定主要是两个方向,一个方向是旋轮水平移动方向(X轴),另一个方向是旋轮的旋压方向 (Z轴);其中旋轮在X轴方向上分 13步走完276mm (8Omm/32mm/26mm/20mm/16ram/16ram/16mm/ 16mm/13mm/20ram/6mm/6mm/9mm);旋轮在Z轴上的程序也分13步完成,第一步180mm、第二步 200mm、第三步220mm、第四步240mm、第五步260mm、第六步275mm、第七步285mm、第八步 290mm、第九步290mm、第十步290mm、第十一步290mm、第十二步290mm、第十三步250mm。
[0063] (3)旋压收底后内胆半成品进入铣底工序。
[0064] (4)铣底后的内胆半成品进入到刮板收口工序;刮板收口之前先对钢管的另一端 L1部分在烤料架上进行加热,加热温度控制在1000-1100°C,加热时间控制在40-60s;加热 后的钢管进入到刮板收口工序进行收口,使内胆基本成型。
[0065] (5)对基本成型的内胆进行热处理,热处理后的内胆的强度控制在890MPa-950MPa 之内。
[0066] (6)对内胆内、外表面进行抛光处理,使内胆内外表面平整以及去除缺陷,得到薄 壁钢质内胆。 _
[0067] 二、使用符合下述树脂体系要求的进行缠绕:
[0068] 1、树脂胶液:环氧树脂128:甲基四氢苯酐:促进剂N,N-二甲基苄胺:消泡剂 ACP1400 = 100:85:1:1;
[0069] 2、树脂胶液在25-28 °C范围内的可操作时间为6-8小时。
[0070] 玻璃纤维经过沾有胶液的胶辊,即采用上进胶,控制单根纱的张力为10-15N,然后 按照预先编好的缠绕程序使用四维数控缠绕机将纤维紧密缠绕在塑料内胆上,所用的纤维 缠绕方式为环向缠绕与螺旋缠绕相互结合往复循环的缠绕方式。
[0071] 三、产品固化:
[0072] 1、一区温度80 ± 5 °C,固化时间:2 ± 0 • 5小时;二区温度12〇 ± 5。(:,固化时间2 ± 0 • 5 小时;三区温度11 〇 ±5 r,固化时间2 ± 〇 •5小时;
[0073] 2、树脂体系固化后的剪切强度要在13 • 8MPa以上。
[0074] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并非用以限定本发明的实质技术内容范 围,本发明的实质技术内容是广义地定义于申请的权利要求范围中,任何他人完成的技术 实体或方法,若是与申请的权利要求范围所定义的完全相同,也或是一种等效的变更,均将 被视为涵盖于该权利要求范围之中。

Claims (10)

1.一种薄壁钢质内胆的制造方法,所述方法通过收底、铣底、收口、热处理、内胆内、夕卜 表面抛光和螺纹加工使内胆成型,其特征在于,所述方法中: (1)采用强旋工艺使钢管的两端长度分别为200-400毫米的封头的厚度分别为3-5毫 米,钢管主体的厚度为2-3毫米; ⑵将强旋减薄后的钢管进行旋压收底和刮板收口。
2. 如权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述旋压收底是使钢管的一端封头在 1000-1100°C加热40-60秒后进入旋压机进行旋压收底。
3. 如权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述刮板收口是使钢管的另一端封头在 1000-1100 °C加热40-60秒后进入刮板机进行刮板收口。
4. 如权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述热处理使内胆力学强度控制在800-lOOOMPa;优选在850-1000MPa;更优选在890-950MPa。
5. 如权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述钢管主体与两个封头之间的过渡段 的钢管的长度为45-55毫米。
6. 如权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述钢管两个封头的长度分别为26〇-300毫米。
7. 如权利要求1所述的制造方法,其特征在于,两个封头的厚度分别为4.5-4.6毫米。
8. 如权利要求1所述的制造方法,其特征在于,钢管主体的厚度为2-3毫米。
9. 如权利要求1-8任一项所述的制造方法,其特征在于,所述薄壁钢质内胆是气瓶用内 胆;所述钢管是无缝钢管。
10. —种复合气瓶的制造方法,其特征在于,所述方法包括的步骤有如权利要求H任 一项所述的薄壁钢质内胆成型、内胆外表面喷涂电防腐漆、纤维缠绕和固化。
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