CN107287522B - 一种深海载人潜水器压载水舱的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种深海载人潜水器耐压水舱的制造方法，包括如下步骤：(1)母材冶炼：选择超高强度钢C350，并采用双真空工艺冶炼成钢锭；(2)锻造、轧制开坯：将钢锭采用液压机锻造为板坯，再经宽厚板轧机轧制成所需尺寸；(3)壳体热冲压：将板坯加热到1160±10℃，保温后热冲压成型；(4)热处理：对壳体进行细晶化处理、固溶处理、时效处理，得到所需的金相组织，以保证力学性能达到设计要求；(5)机加工：将壳体经初加工、精加工以满足图纸要求。通过该方法制造的压载水舱承受的压力达到113MPa以上，使用极限深度可达到11000米。

Description

一种深海载人潜水器压载水舱的制造方法
技术领域
本发明属于潜水器压载水舱领域，具体涉及一种深海载人潜水器压载水舱的制造方法。
背景技术
深海载人潜水器体现一个国家的综合技术力量，是海洋技术开发的最前沿与制高点，利用它可取得海底世界的宝贵数据和资料，用于深海资源勘探、热液硫化物考察、深海生物基因、深海地质调查等领域。目前世界上只有美国、日本、法国、俄罗斯拥有深海载人潜水器，最大工作深度未超过6500米。中国研制的7000米载人潜水器“和谐号”，成为目前世界下潜工作深度最深的载人潜水器。
压载水舱是深海载人潜水器上的关键装置，用以控制潜水器的上浮和下潜。当需要下潜时，压水舱注水，开始下潜；当需要在水中悬停时，它抛出一个配重块；当需要上浮时，它抛出第2个配重块，同时向压载水舱充入空气，排出海水，就可以上浮。
目前，潜水器上的耐压结构(包括载人球、压载水舱、耐压罐等)多采用钛合金制造，也有的用镍钢。制造工艺有三种：无焊接、半球焊接和瓜瓣焊接。后面两种工艺工序复杂，生产成本较高，但第一种工艺生产工艺简单，但是制造而成的压载水舱强度不高，导致潜水器潜水深度不足，在深海高压的情况下容易因为材料问题出现设备漏水从而造成设备损坏的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种深海载人潜水器压载水舱的制造方法，生产工艺简单，结构可靠，通过该方法制造的压载水舱承受的压力达到113MPa以上，使用极限深度可达到11000米。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种深海载人潜水器压载水舱的制造方法，包括如下步骤：(1)热冲压板坯制造：
A、选材：选择超高强度钢C350；
B、板坯制造：C350钢由真空感应炉(VIM)初次冶炼浇注钢锭，以之作为自耗电极进行真空电弧重熔(VAR)，获得自耗锭；自耗锭经均匀化处理后，锻造并轧制为板坯，钢锭到板坯总变形比要求≥5，锻轧后空冷至室温；
(2)热冲压：
A、半球壳体模具准备和试模：根据压载水舱半球壳体尺寸计算，准备好半球壳体的内模、外模，其中内模采用铸造成型，并机加工为半球面，外模为模锻成型的环状外模；
采用一定厚度的碳素结构钢板进行试模：碳素结构钢板加热至约1150℃保温后，热冲压为半球壳体，所得半球壳体进行机加工，根据加工情况，确定半球壳体所需板坯尺寸，并根据确定的尺寸对步骤1锻轧成的板坯采用水切割，切为需要的板坯；
B、板坯加热：将板坯装炉，装炉温度≤650℃，加热温度：1160±10℃，总加热时间≥1.5h，进行不定时测温，板坯温度达到1140～1150℃保温1h；
C、热冲压：根据板坯直径，预先在外模底座上用销钉进行定位，以确保板坯与内模中心对正，用叉车取出板坯迅速放置在外模上，对中良好再进行热冲压，要求半球壳体一次冲压成型；
D、冷却：半球壳体开口向上，空冷至室温，冷却过程中禁止吹风，防止壳体变形过大；
E、外形检查：半球壳体冷却至室温后，仔细检查表面并测量尺寸；
(3)热处理：
A、工装准备：为保证热处理后半球壳体的冷却效果，半球开口向上，安置在托盘上，对半球壳体进行支撑和固定，防止热处理过程中壳体变形过大，半球壳体开口部分采用17-4PH钢Φ30～35mm棒材焊接成“*”型支架，焊接时要求尽量靠近开口边缘，与半球壳体连接牢固；半球壳体下部用碳素钢板支架焊接后放置在托盘上，焊点不能过大，以减少热影响区；
B、细晶化处理：采用高温热处理炉，对两个半球壳体及平封盖进行循环细晶化处理；
C、固溶处理；
(4)机加工：
A、粗加工：将支架和碳素钢板支架从半球壳上切割掉，两个半球壳体及平封盖均需按照图纸要求进行机加工；半球壳体在立式车床上完成，所有涂装面及螺纹均按尺寸公差及表面光洁度加工；非涂装面留2～3mm余量，待时效处理后精加工以确保压载水舱各部组装配合良好；
B、进行时效处理；
C、精加工：将非涂装面进行机加工，保证尺寸公差及表面光洁度达到要求。
进一步的，所述循环细晶化处理循环步骤如下：
(1)先将半球壳体在高温热处理炉以940-960℃的温度保温1h，然后进行水冷；
(2)水冷后再次在高温热处理炉以890-910℃的温度保温1h，然后进行水冷；
(3)随后再将其投入到高温热处理炉以850-870℃的温度保温1h，然后水冷；
(4)最后再次在高温热处理炉以850-870℃的温度保温1h，然后水冷。
进一步的，所述固溶处理是在810-830℃下保温0.5h，然后水冷。
进一步的，所述时效处理是在500-520℃下保温2h，然后空冷。
进一步的，所述C350钢冶炼后化学成分质量百分比如下：C≤0.005％；Mn ≤0.10％；Si≤0.10％；P≤0.005％；S≤0.005％；Ni含量17.5-18.5％；Co含量为11.5-12.5％；Mo含量为4.0-5.0％；Ti含量为1.25-1.50％；Al含量为 0.10-0.16％；余量为Fe；C350钢中气体含量质量百分比如下：H≤0.0001％；O ≤0.0015％；N≤0.0015％。
本发明的有益效果是：该深海载人潜水器压载水舱的制造方法，生产工艺简单，结构可靠，通过该方法制造的压载水舱承受的压力达到113MPa以上，使用极限深度可达到11000米。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明压载水舱的结构示意图；
图2是本发明热冲压时的结构示意图；
图3是本发明热处理时的结构示意图。
图中：1、上半球壳体；2、下半球壳体；3、内模；4、外模；5、板坯； 6、平封盖；7、“*”型支架；8、销钉；9、外模底座；10、托盘；11、碳素钢板支架。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1到图2所示的一种深海载人潜水器压载水舱的制造方法，包括如下步骤：
(1)热冲压板坯制造：
A、选材：压载水舱在工作时受到海水的静压力，在11000m的极限深度，理论上需承受110MPa的压力，经计算，壳体材料的屈服强度应大于1700MPa才能保证其运行的安全性，超高强度钢C350(18Ni系列马氏体时效钢中的350级) 的屈服强度可达2350MPa以上，K1C可达55MPm1/2，完全满足要求；且该钢冷、热加工性能好，热处理工艺简单，热处理后变形小，因此被选为制造该型压载水舱的材料；
B、板坯制造：C350钢由真空感应炉(VIM)初次冶炼浇注钢锭，以之作为自耗电极进行真空电弧重熔(VAR)，获得自耗锭；钢锭经1220℃约40h的均匀化处理后，锻造并轧制为板坯5，钢锭到板坯5总变形比达到20，锻、轧后空冷至室温；
(2)热冲压：
A、半球壳体模具准备和试模：根据压载水舱半球壳体尺寸计算，准备好半球壳体的内模3、外模4，内模3采用铸造成型，并机加工为球面，外模4为模锻成型的环状外模；
采用55mm厚的HG785钢板进行试模：碳素结构钢板加热至约1150℃保温后，热冲压为半球壳体，所得半球壳体进行机加工，根据加工情况，确定半球壳体所需板坯厚度为50mm和70mm，并对模具进行修整，板坯采用水切割，切为需要直径；
B、板坯加热：将板坯装炉，装炉温度≤650℃，加热温度：1160±10℃，总加热时间≥1.5h，进行不定时测温，板坯温度达到1140～1150℃保温1h；
C、热冲压：用叉车取出板坯迅速放置在内模3上，对中良好后进行热冲压，半球壳体均一次冲压成型；
D、冷却：根据板坯直径，预先在外模底座9上用销钉8进行定位，以确保板坯与内模中心对正，用叉车取出板坯迅速放置在外模上，对中良好再进行热冲压，要求半球壳体一次冲压成型；
E、外形检查：半球壳体冷却至室温后，仔细检查表面并测量尺寸，确保符合工艺要求；
(3)热处理：
A、工装准备：为保证热处理后半球壳体的冷却效果，半球开口向上，安置在托盘10上，对半球壳体进行支撑和固定，防止热处理过程中壳体变形过大，半球壳体开口部分采用17-4PH钢Φ30～35mm棒材焊接成“*”型支架7，焊接时要求尽量靠近开口边缘，与半球壳体连接牢固；半球壳体下部用碳素钢板支架11焊接后放置在托盘10上，焊点不能过大，以减少热影响区；
B、细晶化处理：采用高温热处理炉，对两个半球壳体及平封盖6进行循环细晶化处理；
C、固溶处理；
(4)机加工：
A、粗加工：半球壳体和“*”型支架7切割分离，半球壳体下部和碳素钢板支架11切割分离，两个半球壳体(包括上半球壳体1和下半球壳体2)及平封盖均需按照图纸要求进行机加工；半球壳体在立式车床上完成，所有涂装面及螺纹均按尺寸公差及表面光洁度加工；非涂装面留2～3mm余量，待时效处理后精加工以确保压载水舱各部组装配合良好；
B、进行时效处理；
C、精加工：将非涂装面进行机加工，保证尺寸公差及表面光洁度达到要求。
进一步的，所述循环细晶化处理循环步骤如下：
(1)先将半球壳体在高温热处理炉以940-960℃的温度保温1h，然后进行水冷；
(2)水冷后再次在高温热处理炉以890-910℃的温度保温1h，然后进行水冷；
(3)随后再将其投入到高温热处理炉以850-870℃的温度保温1h，然后水冷；(4)最后再次在高温热处理炉以850-870℃的温度保温1h，然后水冷；
进一步的，其特征在于，所述固溶处理是在810-830℃下保温0.5h，然后水冷；
进一步的，其特征在于，所述时效处理是在500-520℃下保温2h，然后空冷；
进一步的，所述压载水舱制造材料选用C350钢，冶炼后C350钢化学成分质量百分比如下：C0.0025％；Mn0.032％；Si0.01％；P0.0026％；S0.0026％； Ni18.30％；Co12.00％；Mo4.52％；Ti1.30％；Al0.14％，Cr0.016；余量为Fe；钢中气体含量质量百分比如下：[H]0.0001％；[O]0.0010％；[N]0.0010％。
通过该方法制作的压载水舱经过检测，各项数据测试如下：屈服强度 Rp0.2:2289.12MPa，抗拉强度Rm：2402.91MPa，断后伸长率A:6.6％，断面收缩率Z:37.59％，冲击韧性Aku:19.0J。所以通过该方法制造的压载水舱承受的压力达到113MPa以上，使用极限深度可达到11000米。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种深海载人潜水器压载水舱的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)热冲压板坯制造：
A、选材：选择超高强度钢C350；
B、板坯制造：C350钢由真空感应炉(VIM)初次冶炼浇注钢锭，以之作为自耗电极进行真空电弧重熔(VAR)，获得自耗锭；自耗锭经均匀化处理后，锻造并轧制为板坯，钢锭到板坯总变形比要求≥5，锻轧后空冷至室温；
(2)热冲压：
A、半球壳体模具准备和试模：根据压载水舱半球壳体尺寸计算，准备好半球壳体的内模、外模，其中内模采用铸造成型，并机加工为半球面，外模为模锻成型的环状外模；
采用一定厚度的碳素结构钢板进行试模：碳素结构钢板加热至1150℃保温后，热冲压为半球壳体，所得半球壳体进行机加工，根据加工情况，确定半球壳体所需板坯尺寸，并根据确定的尺寸对步骤1锻轧成的板坯采用水切割，切为需要的板坯；
B、板坯加热：将板坯装炉，装炉温度≤650℃，加热温度：1160±10℃，总加热时间≥1.5h，进行不定时测温，板坯温度达到1140～1150℃保温1h；
C、热冲压：根据板坯直径，预先在外模底座上用销钉进行定位，以确保板坯与内模中心对正，用叉车取出板坯迅速放置在外模上，对中良好再进行热冲压，要求半球壳体一次冲压成型；
D、冷却：半球壳体开口向上，空冷至室温，冷却过程中禁止吹风，防止壳体变形过大；
E、外形检查：半球壳体冷却至室温后，仔细检查表面并测量尺寸；
(3)热处理：
A、工装准备：为保证热处理后半球壳体的冷却效果，半球开口向上，安置在托盘上，对半球壳体进行支撑和固定，防止热处理过程中壳体变形过大，半球壳体开口部分采用17-4PH钢Φ30～35mm棒材焊接成“*”型支架，焊接时要求尽量靠近开口边缘，与半球壳体连接牢固；半球壳体下部用碳素钢板支架焊接后放置在托盘上，焊点不能过大，以减少热影响区；
B、细晶化处理：采用高温热处理炉，对两个半球壳体及平封盖进行循环细晶化处理；
C、固溶处理；
(4)机加工：
A、粗加工：将支架和碳素钢板支架从半球壳上切割掉，两个半球壳体及平封盖均需按照图纸要求进行机加工；半球壳体在立式车床上完成，所有涂装面及螺纹均按尺寸公差及表面光洁度加工；非涂装面留2～3mm余量，待时效后精加工以确保压载水舱各部组装配合良好；
B、进行时效处理；
C、精加工：将非涂装面进行机加工，保证尺寸公差及表面光洁度达到要求；
所述循环细晶化处理循环步骤如下：
(1)先将半球壳体在高温热处理炉以940-960℃的温度保温1h，然后进行水冷；
(2)水冷后再次在高温热处理炉以890-910℃的温度保温1h，然后进行水冷；
(3)随后再将其投入到高温热处理炉以850-870℃的温度保温1h，然后水冷；
(4)最后再次在高温热处理炉以850-870℃的温度保温1h，然后水冷；
所述固溶处理是在810-830℃下保温0.5h，然后水冷；
所述时效处理是在500-520℃下保温2h，然后空冷。
2.根据权利要求1所述的深海载人潜水器压载水舱的制造方法，其特征在于，所述C350钢冶炼后化学成分质量百分比如下：C≤0.005％；Mn≤0.10％；Si≤0.10％；P≤0.005％；S≤0.005％；Ni含量17.5-18.5％；Co含量为11.5-12.5％；Mo含量为4.0-5.0％；Ti含量为1.25-1.50％；Al含量为0.10-0.16％；余量为Fe；C350钢中气体含量质量百分比如下：H≤0.0001％；O≤0.0015％；N≤0.0015％。
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