CN113685718A - 一种卫星复合气瓶封头及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及复合材料气瓶技术领域，具体而言，涉及一种卫星复合气瓶封头及其制造方法，所述卫星复合气瓶封头，包括壳体以及接头，其中：壳体与接头通过电子束焊接；接头包括接头区和肩部补强区；壳体包括渐变过渡区、等壁厚薄膜区以及筒体区；肩部补强区与渐变过渡区平滑焊接，渐变过渡区与等壁厚薄膜区平滑渐变连接。本发明采用TA1纯钛、TA3钛合金两种材料，满足封头壳体塑性内衬低周疲劳寿命的较高断裂延伸率高塑性要求，同时满足封头接头刚性约束的高强度要求，解决了塑性内衬在气瓶疲劳循环中鼓包、断裂、屈曲、疲劳裂纹、渗透等破坏和失效等问题，具有超薄壁、轻重量、结构精度高、与复合层应变位移匹配性好、低周疲劳寿命高等优点。

Description

一种卫星复合气瓶封头及其制造方法

技术领域

本申请涉及复合材料气瓶技术领域，具体而言，涉及一种卫星复合气瓶封头及其制造方法。

背景技术

卫星推进分系统、流体管理系统、环控生保系统等均需要复合材料气瓶等压力容器产品，复合材料气瓶、推进剂贮箱等容器产品重量占分系统总重50～80％，因此航天领域对压力容器重量技术指标要求控制非常严格。

一般民用领域、航空、船舶、兵器等领域大都采用高疲劳寿命内衬壁厚较厚的复合材料气瓶，气瓶工作时，内衬处于弹性应力应变状态，结构设计相对简单。而在卫星、飞船、导弹等领域，由于复合材料气瓶的一次性应用特点，可设计为低周疲劳寿命、塑性工作、超薄壁内衬复合材料气瓶结构。

针对超薄壁内衬复合气瓶，气瓶工作时内衬处于塑性应力应变状态，气瓶疲劳循环中，内衬发生不均匀的大塑性应变行为，尤其是封头处螺旋纤维缠绕堆积、不断扩孔缠绕导致缠绕角变化以及缠绕张力的变化，导致内衬封头应力应变行为非常复杂，在气瓶充压、泄压过程中，极易发生内衬与复合层应变位移不协调而导致的内衬破坏和失效，包括内衬鼓包、断裂、屈曲、疲劳裂纹、渗透等问题。内衬由封头与筒体组成，内衬筒体属于均匀薄膜区弹塑性应力应变行为，因此封头结构设计与制造是气瓶研制的主要难点和关键技术。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种卫星复合气瓶封头及其制造方法，解决了塑性应力应变状态工作、低周疲劳寿命要求的异种材料超薄壁封头结构设计与制造的问题。

为了实现上述目的，本申请提供了一种卫星复合气瓶封头，包括壳体以及接头，其中：壳体与接头通过电子束焊接；接头包括接头区和肩部补强区；壳体包括渐变过渡区、等壁厚薄膜区以及筒体区；肩部补强区与渐变过渡区平滑焊接，渐变过渡区与等壁厚薄膜区平滑渐变连接。

进一步的，接头区和肩部补强区的材料为TA3钛合金。

进一步的，TA3钛合金的屈服强度≥460MPa、抗拉强度≥540MPa、弹性模量≥107GPa、塑性模量≥1.3GPa、断裂延伸率≥15％。

进一步的，渐变过渡区、等壁厚薄膜区以及筒体区的材料为TA1纯钛。

进一步的，TA1纯钛的屈服强度≥290MPa、抗拉强度≥370MPa、弹性模量≥105GPa、塑性模量≥1.2GPa、断裂延伸率≥30％。

进一步的，电子束焊接的焊缝系数≥0.95。

进一步的，壳体外曲面旋转母线为椭圆曲线，内曲面旋转母线是以外曲面为基准的渐变增厚坐标点拟合曲线。

进一步的，等壁厚薄膜区与筒体区的壁厚相同，壁厚≤1mm。

进一步的，筒体区的圆度≤1mm，筒体区的高度≥10mm，筒体区的平面度≤1mm。

此外，本发明还提供了一种制造卫星复合气瓶封头的方法，包括如下步骤：步骤1：采用TA1纯钛板材夹板热冲压工艺、车加工工艺完成封头壳体毛坯制造；步骤2：采用TA3钛合金棒材车加工工艺完成封头接头毛坯制造；步骤3：采用电子束焊接连接TA1纯钛封头壳体毛坯和TA3钛合金封头接头毛坯；步骤4：采用车加工工艺完成钛合金封头加工。

本发明提供的一种卫星复合气瓶封头及其制造方法，具有以下有益效果：

1、本发明采用TA1纯钛、TA3钛合金两种材料，满足封头壳体塑性内衬低周疲劳寿命的较高断裂延伸率高塑性要求，同时满足封头接头刚性约束的高强度要求，解决了塑性内衬在气瓶疲劳循环中鼓包、断裂、屈曲、疲劳裂纹、渗透等破坏和失效等问题，具有超薄壁、轻重量、结构精度高、与复合层应变位移匹配性好、低周疲劳寿命高等优点。

2、本发明的渐变过渡区采用厚度与曲率平滑渐变过渡设计，解决了封头接头根部缠绕堆积、扩孔缠绕角变化、缠绕张力变化引起的内衬封头壳体与复合层应变位移协调性问题，封头采用封头壳体带筒段设计，解决了封头与筒体交界处焊缝应力集中的问题。封头等壁厚薄膜区、筒体区采用超薄等壁厚设计，满足卫星气瓶轻重量、高性能因子要求。

3、本发明采用封头接头毛坯和封头壳体毛坯先焊接后机加的工艺方案，解决封头尺寸公差和形位公差要求严苛的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例提供的一种卫星复合气瓶封头的示意图；

图中：1-壳体、11-渐变过渡区、12-等壁厚薄膜区、13-筒体区、2-接头、21-接头区、22-肩部补强区。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

如图1所示，本申请提供了一种卫星复合气瓶封头，包括壳体1以及接头2，其中：壳体1与接头2通过电子束焊接；接头2包括接头区21和肩部补强区22；壳体1包括渐变过渡区11、等壁厚薄膜区12以及筒体区13；肩部补强区22与渐变过渡区11平滑焊接，渐变过渡区11与等壁厚薄膜区12平滑渐变连接。

具体的，卫星用复合气瓶要求质量轻、强度高、可靠性高、安全性高，气瓶性能因子定义为最大压力与容积的乘机再除以净重，卫星气瓶性能因子技术要求一般大于30km，因此气瓶需采用超薄壁塑性工作金属内衬高强碳纤维缠绕复合气瓶结构，内衬设计采用最大限度减重原则，内衬封头、筒体壳体壁厚最大限度减薄，重量最轻，才能达到最高的性能因子设计要求。内衬封头壳体区需满足与复合层的应力应变协调性，内衬壳体属于低周疲劳寿命设计，根据Coffin-Manson低周疲劳循环理论，材料延伸率越大，低周疲劳寿命越高，因此壳体区域应选择高延伸率低强度金属材料。内衬封头接头区则需满足气瓶刚性固定约束条件，复合气瓶动力学载荷条件严酷，需采用高屈服强度低延伸率金属材料。并且超薄壁内衬缠绕技术对内衬尺寸公差和形位公差要求很高，采用传统的先机加、后焊接的工艺无法满足壳体结构精度要求，封头与筒体的交界处不仅存在薄膜应力，还存在弯曲应力等复杂应力状态，采用传统封头与筒体交界处焊接，也会导致焊缝应力集中，封头接头缠绕区由于纤维发挥系数较低，还需要采用结构补强设计。因此，根据上述设计要求，本发明实施例提供了一种卫星复合气瓶封头，整体采用接头2壳体1带筒段的设计方式，主要包括壳体1和接头2两大部分，其中接头2和壳体1采用电子束对接焊缝，解决了封头与筒体交界处焊缝应力集中的问题，接头2包括接头区21和肩部补强区22，接头区21主要用于和其他装置进行对接，比如和挂丝台、径向约束圆柱、螺纹密封面以及出气管等装置进行对接，肩部补强区22根据实际补强系数进行计算，主要为了满足封头刚性约束的高强度要求。壳体1主要包括渐变过渡区11、等壁厚薄膜区12以及筒体区13，肩部补强区22与渐变过渡区11的壁厚、内表面之间曲率平滑过渡焊接，渐变过渡区11由等壁厚薄膜区12采用壁厚渐变增厚至设计厚度，壁厚平滑渐变，不过整体的渐变过渡区11壁厚、内表面的曲率无突变，通过平滑渐变的过渡设计，解决了封头根部缠绕堆积、扩孔缠绕角变化、缠绕张力变化引起的内衬封头壳体与复合层应变位移协调性问题。

进一步的，接头区21和肩部补强区22的材料为TA3钛合金。TA3钛合金的优点是屈服强度、硬度适中，具有较强抗磨损性能，做为气口金属密封球头密封面、外螺纹等接触面时，具有一定抗磨损性能，而且TA3钛合金和TA1钛合金的焊接性较好，焊接接头强度较高，因此采用TA3钛合金。

进一步的，TA3钛合金的屈服强度≥460MPa、抗拉强度≥540MPa、弹性模量≥107GPa、塑性模量≥1.3GPa、断裂延伸率≥15％。根据实际的设计情况选择TA3钛合金的各项参数。

进一步的，渐变过渡区11、等壁厚薄膜区12以及筒体区13的材料为TA1纯钛。TA1纯钛的优点是断裂延伸率达到30％，根据材料低周疲劳特性，塑性内衬的低周疲劳寿命与断裂延伸率成正比，因此采用TA1钛合金可以获得较高的低周疲劳寿命。

进一步的，TA1纯钛的屈服强度≥290MPa、抗拉强度≥370MPa、弹性模量≥105GPa、塑性模量≥1.2GPa、断裂延伸率≥30％。根据实际的设计情况选择TA1纯钛的各项参数。

具体的，采用TA1材料作为封头壳体，是发挥TA1材料的高断裂延伸率性能，采用TA3作为接头材料，发挥TA3钛合金的较高的强度和硬度性能，两者采用焊接连接，两种钛合金的焊接性能较好，因此采用异种金属结构来满足双重要求，单独采用TA1钛合金，不满足接头的硬度要求，单独采用TA3钛合金，不能满足壳体的低周疲劳性能要求，因此只有采用异种金属结构，才能保证这种塑性内衬特殊的技术要求。

进一步的，电子束焊接的焊缝系数≥0.95。防止焊缝应力过于集中。

进一步的，壳体1外曲面旋转母线为椭圆曲线，内曲面旋转母线是以外曲面为基准的渐变增厚坐标点拟合曲线。壳体1的外曲面旋转母线可以根据实际情况选择椭圆曲线或者等张力曲线，保证复合气瓶封头外型流线的美观，内曲面以外曲面为基准进行曲线的拟合，保证壳体1的壁厚为超薄等壁厚，大大减轻了复合气瓶的重量。

进一步的，等壁厚薄膜区12与筒体区13的壁厚相同，壁厚≤1mm。等壁厚薄膜区12与筒体区13采用超薄等壁厚的设计，主要为了满足卫星复合气瓶轻重量、高性能因子的要求。

进一步的，筒体区13的圆度≤1mm，筒体区13的高度≥10mm，筒体区13的平面度≤1mm。根据实际的设计情况选择筒体区13的各项参数。

此外，本发明还提供了一种制造卫星复合气瓶封头的方法，包括如下步骤：步骤1：采用TA1纯钛板材夹板热冲压工艺、车加工工艺完成封头壳体1毛坯制造；步骤2：采用TA3钛合金棒材车加工工艺完成封头接头2毛坯制造；步骤3：采用电子束焊接连接TA1纯钛封头壳体1毛坯和TA3钛合金封头接头2毛坯；步骤4：采用车加工工艺完成钛合金封头加工。

本发明实施例提供的制造卫星复合气瓶封头的方法采用封头接头2毛坯和封头壳体1毛坯先焊接后机加的工艺方案，解决了封头尺寸公差和形位公差要求严苛的问题。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种卫星复合气瓶封头，其特征在于，包括壳体以及接头，其中：

所述壳体与所述接头通过电子束焊接；

所述接头包括接头区和肩部补强区；

所述壳体包括渐变过渡区、等壁厚薄膜区以及筒体区；

所述肩部补强区与所述渐变过渡区平滑焊接，所述渐变过渡区与所述等壁厚薄膜区平滑渐变连接。

2.如权利要求1所述的卫星复合气瓶封头，其特征在于，所述接头区和所述肩部补强区的材料为TA3钛合金。

3.如权利要求2所述的卫星复合气瓶封头，其特征在于，所述TA3钛合金的屈服强度≥460MPa、抗拉强度≥540MPa、弹性模量≥107GPa、塑性模量≥1.3GPa、断裂延伸率≥15％。

4.如权利要求1所述的卫星复合气瓶封头，其特征在于，所述渐变过渡区、所述等壁厚薄膜区以及所述筒体区的材料为TA1纯钛。

5.如权利要求4所述的卫星复合气瓶封头，其特征在于，所述TA1纯钛的屈服强度≥290MPa、抗拉强度≥370MPa、弹性模量≥105GPa、塑性模量≥1.2GPa、断裂延伸率≥30％。

6.如权利要求1所述的卫星复合气瓶封头，其特征在于，所述电子束焊接的焊缝系数≥0.95。

7.如权利要求1所述的卫星复合气瓶封头，其特征在于，所述壳体外曲面旋转母线为椭圆曲线，内曲面旋转母线是以外曲面为基准的渐变增厚坐标点拟合曲线。

8.如权利要求1所述的卫星复合气瓶封头，其特征在于，所述等壁厚薄膜区与所述筒体区的壁厚相同，壁厚≤1mm。

9.如权利要求8所述的卫星复合气瓶封头，其特征在于，所述筒体区的圆度≤1mm，所述筒体区的高度≥10mm，所述筒体区的平面度≤1mm。

10.一种制造权利要求1-9任一项所述的卫星复合气瓶封头的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：采用TA1纯钛板材夹板热冲压工艺、车加工工艺完成封头壳体毛坯制造；

步骤2：采用TA3钛合金棒材车加工工艺完成封头接头毛坯制造；

步骤3：采用电子束焊接连接TA1纯钛封头壳体毛坯和TA3钛合金封头接头毛坯；

步骤4：采用车加工工艺完成钛合金封头加工。

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