一种环形钛合金高压气瓶制造方法

摘要

本发明介绍了一种环形钛合金高压气瓶制造方法，包括材料固溶处理、气瓶内外环加工、瓶体焊接、瓶体分割、瓶头、瓶尾、转接块加工、瓶头、瓶尾与瓶体焊接、瓶头排气嘴与瓶头焊接、转接块排气嘴和转接块焊接、真空时效处理工序，并在焊接过程使用工装。本发明的方法，实现了钛合金环形精密容器的制造，可获得性能合格满足质量要求的气体存储装置；解决了航空用钛合金高精非标压力容器的制造难题。

权利要求

1.一种环形钛合金高压气瓶制造方法，所述的环形钛合金高压气瓶为一种非标形状气瓶，气瓶材料为TC4钛合金，瓶体外形为半环形结构，配置有瓶头(7)、瓶尾(2)及进排气装置，其特征在于制造方法包括：(1)材料固溶时效处理：对TC4钛合金材料进行真空固溶处理，具体的处理方法是：先进行固溶处理，即940～960℃，保温30分钟，水淬；

(2)气瓶内外环加工：采用整圆环加工出符合要求的内外圆环；

(3)瓶体焊接：使用常规的钛合金氩弧焊技术，内外圆环焊接成瓶体；焊接过程中，焊缝及热影响区应始终处于氩气保护氛围中；

(4)采用线切割的方法将内外圆环焊接成的瓶体分成两个半圆；

(5)在焊接之后整体加工去除焊缝余高；

(6)瓶头(7)加工：采用常规工艺加工出合适尺寸的瓶头(7)；

(7)瓶尾(2)、转接块(4)加工：采用常规工艺加工出合适尺寸的瓶尾(2)、转接块(4)；

(8)瓶头(7)、瓶尾(2)与瓶体(1)焊接：使用氩弧焊技术将瓶头(7)、瓶尾(2)与瓶体(1)焊接；

(9)瓶头排气嘴(8)与瓶头(7)焊接、转接块排气嘴(5)和转接块(4)焊接：均使用Ti-Zr系钎料在真空炉中完成焊接过程；

(10)真空时效处理：最后整体进行真空时效处理，处理过程为940±10℃，保温120分钟，随炉冷却，完成加工过程。

2.根据权利要求1所述环形钛合金高压气瓶制造方法，其特征在于：所述的气瓶内外环加工的具体方法是，使用整块的圆形TC4钛合金材料，车加工出符合尺寸要求的内外圆环，瓶体内部中空部分精加工到需要的尺寸，在内外圆环的厚度方向上整体预留2mm加工余量。

3.根据权利要求1所述环形钛合金高压气瓶制造方法，其特征在于：所述的瓶体(1)焊接工序使用瓶体焊接保护工装，瓶体焊接保护工装为一个由上圆盘和下圆盘两部分组成的圆盘结构，上下圆盘上对应布置半圆环的沟槽，上下沟槽配合可以容纳气瓶内外圆环进行焊接，将上下圆盘使用螺栓锁紧，可以将整个圆环包住，并保证圆环的定位，在下圆盘一侧开有通气孔，在焊接时内部充氩气对焊接部位进行保护。

4.根据权利要求3所述环形钛合金高压气瓶制造方法，其特征在于：所述的瓶体焊接保护工装采用紫铜制造。

5.根据权利要求1所述环形钛合金高压气瓶制造方法，其特征在于：所述的瓶尾与瓶体焊接工序使用瓶尾工装，瓶尾工装由螺柱和底座两部分组成，底座上有容纳瓶尾(2)的中空半球部位，通过螺柱与瓶尾(2)相连接，并在螺柱上开有通气孔，在焊接时对内部充氩气进行气体保护。

6.根据权利要求5所述环形钛合金高压气瓶制造方法，其特征在于：所述的瓶尾工装采用紫铜制造。

说明书

一种环形钛合金高压气瓶制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种钛合金制品制造技术，特别是一种环形钛合金高压气瓶制造方法。

背景技术

[0002] 环形气瓶是用于航空航天的一种气体储存装置，有别于常规球形和筒形气瓶，本发明中所述的环形气瓶为一种非标形状气瓶，存储气体为氮气。工作压力为66MPa，外形为半环形结构，配置有瓶头、瓶尾及进排气装置等。

[0003] 随着航空工业的进步，制造设备日趋精细化，由于受使用空间的限制，往往对该种气瓶在设备上的空间要求很严，即要保证气瓶整体的强度，又要保证其装配精度和储气量，这种形式的气瓶其制造难度可想而知。根据文献检索结果来看，该种非标形式的气瓶多数研究还处于模拟仿真阶段，对于实际制造技术未见相关报道。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种环形钛合金高压气瓶制造方法。

[0005] 本发明进一步解决的技术问题是提供的一种环形钛合金高压气瓶制造方法可以通过合理的工艺和工序安排，使用常规的加工、焊接设备实现航空高精密压力容器的制造，减少设备投入，简化繁杂工序，减少成本，能够适用于非标形状钛合金气瓶的制造。

[0006] 为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：

[0007] 本发明的一种环形钛合金高压气瓶制造方法，所述的环形钛合金高压气瓶为一种非标形状气瓶，气瓶材料为TC4钛合金，瓶体外形为半环形结构，配置有瓶头、瓶尾及进排气装置，其特征在于制造方法包括：

[0008] (1)材料固溶处理：对TC4合金材料进行真空固溶处理，具体的处理方法是：先进行固溶处理，即940～960℃，保温30分钟，水淬。这是由于气瓶的设计中对材料要求为固溶时效处理的TC4合金，因而必须进行处理，但是为了避免后续的焊接工序会使材料局部受热而导致材料性能变化，因而采用了分为两个部分，即先进行固溶处理，然后进行焊接工序，焊接完成后再进行时效处理。

[0009] (2)气瓶内外环加工：采用整圆环加工出符合要求的内外圆环；

[0010] (3)瓶体焊接：使用常规的钛合金氩弧焊技术，内外圆环焊接成瓶体，焊接过程中，焊缝及热影响区应始终处于氩气保护氛围中；

[0011] (4)采用线切割的方法将内外圆环焊接成的瓶体分成两个半圆；

[0012] (5)在焊接之后整体加工去除焊缝余高；

[0013] (6)瓶头加工：采用常规工艺加工出合适尺寸的瓶头，例如可以采用整圆环数控车加工出六边形外形，然后进行线切割分割，车床平断面，加工螺纹孔，然后采用计算机数控车床加工出相应的半球中空部分；

[0014] (7)瓶尾、转接块加工：采用常规工艺加工出合适尺寸的瓶尾、转接块；例如，瓶尾、转接块可以采用棒料加工，首先进行钻孔、加工螺纹，然后采用数控车床整体加工得到合格产品；

[0015] (8)瓶头、瓶尾与瓶体焊接：使用氩弧焊技术将瓶头、瓶尾与瓶体焊接；

[0016] (9)瓶头排气嘴与瓶头焊接、转接块排气嘴和转接块焊接：使用Ti-Zr系钎料在真空炉中完成焊接过程；

[0017] (10)真空时效处理：最后整体进行真空时效处理，处理过程为940±10℃，保温120分钟，随炉冷却。

[0018] 本发明的一种环形钛合金高压气瓶制造方法，其优选的技术方案可以是：所述的气瓶内外环加工的具体方法是使用整块的圆形TC4合金材料，车加工出符合尺寸要求的内外半圆环，瓶体内部中空部分精加工到需要的尺寸；在内外圆环的厚度方向上整体预留2mm加工余量，以保证焊接后，可以通过加工去除焊接过程的高温对材料表面性能的影响，并得到需要得尺寸和表面光洁度。

[0019] 本发明的一种环形钛合金高压气瓶制造方法，其优选的技术方案还可以是：所述的瓶体焊接工序使用瓶体焊接保护工装，瓶体焊接工装为一个由上圆盘和下圆盘两部分组成的圆盘结构，上下圆盘上就对应布置半圆环的沟槽，上下沟槽配合可以容纳气瓶内外环进行焊接，将上下圆盘使用螺栓锁紧，可以将整个圆环包住，并保证圆环的定位，在下圆盘一侧开有通气孔，在焊接时内部充氩气对焊接部位进行保护。上述技术方案进一步优选的技术方案是：所述的瓶体焊接保护工装采用紫铜制造，可以使导热性能好。

[0020] 本发明的一种环形钛合金高压气瓶制造方法，其优选的技术方案还可以是：所述的瓶尾焊接工序使用瓶尾工装，瓶尾工装由螺柱和底座两部分组成，底座上有容纳瓶尾的中空半球部位，通过螺柱与瓶尾相连接，并在螺柱上开有通气孔，在焊接时对内部充氩气进行气体保护。上述技术方案进一步优选的技术方案是：所述的瓶尾工装采用紫铜制造。

[0021] 本发明的一种环形钛合金高压气瓶制造方法，所述的氩气纯度不低于99.9％。

[0022] 本发明使用的工装，其材料采用导热性能非常好的紫铜，工装将气瓶整体包住、并紧密贴合，工装可将焊接的热量快速吸收并散热，大大降低了气瓶在高温区的停留时间；由于工装将气瓶整体包住、并紧密贴合，使氩气充满并保持在工装与气瓶之间，使气瓶外表面得到了良好的保护；气瓶尾部螺纹可以与工装前部螺纹连接，气瓶可以被准确牢固定位，并且安装、拆卸方便，提高生产效率。

[0023] 环形钛合金高压气瓶的排气嘴与转接块是气瓶控制气体流出的重要部件，其位置精度、密封性都有很高的要求，采用普通焊接其受热量过大，无法满足其垂直度要求，直接影响到气瓶的正常使用，采用真空钎焊可以保证其足够的强度以及外形尺寸的要求。

[0024] 这些技术方案，包括改进的技术方案也可以互相组合或者结合，从而达到更好的技术效果。

[0025] 通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

[0026] 本发明的一种环形钛合金高压气瓶制造方法，实现了钛合金环形精密容器的制造，可获得性能合格满足质量要求的气体存储装置；解决了航空用钛合金高精非标压力容器的制造难题；工装材料采用导热性能非常好的紫铜，工装将气瓶整体包住、并紧密贴合，工装可将焊接的热量快速吸收并散热，大大降低了气瓶在高温区的停留时间；由于工装将气瓶整体包住、并紧密贴合，使氩气充满并保持在工装与气瓶之间，使气瓶外表面得到了良好的保护；气瓶尾部螺纹可以与工装前部螺纹连接，气瓶可以被准确牢固定位，并且均采用可拆卸式设计，安装、拆卸方便，可大大提高生产效率。

附图说明

[0027] 图1是本发明的环形钛合金高压气瓶示意图。

[0028] 图2是本发明的环形钛合金高压气瓶部分剖面示意图。

[0029] 图3是图2的B-B剖面左视示意图。

[0030] 图4是钛合金高压气瓶瓶体示意图。

[0031] 图5是钛合金高压气瓶瓶尾正视图。

[0032] 图6是钛合金高压气瓶瓶尾剖视图。

[0033] 图7是钛合金高压气瓶瓶尾右视图。

[0034] 图8是钛合金高压气瓶瓶头D向示意图。

[0035] 图9是图8的G-G方向剖视图。

[0036] 图10是瓶头的侧向剖视图。

[0037] 图11是钛合金高压气瓶转接块示意图。

[0038] 图12是图11的左视示意图。

[0039] 图13是图11沿H-H线的剖视图。

[0040] 图14是钛合金高压气瓶转接组件示意图。

[0041] 图15是转接组件剖面示意图。

[0042] 图16是瓶体工装下部剖面图。

[0043] 图17是图16的俯视图。

[0044] 图18是瓶体工装上部剖面图。

[0045] 图19是瓶体工装上部的俯视图。

[0046] 图20是瓶尾工装底座示意图。

[0047] 图21是瓶尾工装螺柱示意图。

[0048] 图中，1、瓶体，2、瓶尾，3、气源装置与气瓶连接块，4、转接块，5、转接块排气嘴，7、瓶头，8、瓶头排气嘴。

具体实施方式

[0049] 实施例1

[0050] 本发明的一种环形钛合金高压气瓶，气瓶材料为TC4合金，存储气体为氮气，工作压力为66MPa，瓶体外形为半环形结构，配置有瓶头7、瓶尾2及转接块排气嘴5、瓶头排气嘴8等装置，制造过程为：

[0051] (1)材料固溶处理：940～960℃，保温30分钟，水淬。

[0052] (2)气瓶内外环加工：使用整块的圆形TC4合金材料，车加工出符合尺寸要求的内外半圆环，瓶体内部中空部分精加工到需要的尺寸；在内外圆环的厚度方向上整体预留2mm加工余量，以保证焊接后，可以通过加工去除焊接过程的高温对材料表面性能的影响，并得到需要得尺寸和表面光洁度。

[0053] (3)瓶体1焊接：使用常规的钛合金氩弧焊技术，内外圆环焊接成瓶体1。焊接过程中焊缝及热影响区始终处于氩气保护氛围中，氩气纯度不低于99.9％。

[0054] 所使用的工装为紫铜材料制造的上圆盘和下圆盘两部分组成的圆盘结构，上下圆盘上就对应布置半圆环的沟槽，上下沟槽配合可以容纳气瓶内外环进行焊接，将上下圆盘使用螺栓锁紧，通过在一侧开有的通气孔，在焊接时内部充氩气对焊接部位进行保护。

[0055] (4)采用线切割的方法将内外圆环焊接成的瓶体分成两个半圆；

[0056] (5)在焊接之后采用数控车整体车削加工，去除预留加工余量及焊缝余高；

[0057] (6)瓶头加工：瓶头7采用整圆环数控车加工出六边形外形，然后进行线切割分割，车平端面，加工螺纹孔，然后采用计算机数控车床加工出相应的半球中空部分；

[0058] (7)瓶尾2、转接块8加工：使用锯床对棒料进行锯切下料，对棒料首先进行钻孔、加工螺纹，然后采用数控车床整体加工至要求尺寸。

[0059] (8)采用氩气保护焊接工艺，将瓶头7、瓶尾2与瓶体1焊接。在瓶尾2与瓶体1焊接过程使用紫铜瓶尾工装，通过螺柱与瓶尾相连接，通过螺柱上的通气孔在焊接时对内部充氩气进行气体保护。

[0060] (9)瓶头排气嘴8与瓶头7焊接、转接块排气嘴5和转接块4焊接：真空钎焊转接块排气嘴5和转接块4，瓶头排气嘴8与瓶头7，均使用Ti-Zr系钎料在真空炉中完成焊接过程；

[0061] (10)真空时效处理：最后整体进行真空时效处理，处理过程为940±10℃，保温120分钟，随炉冷却。

[0062] 本实施例材料韧性好，经测试材料强度达到1100Mpa，延伸率在8％以上，下降不明显。

[0063] 采用上述制造方法，制造的环形气瓶，壁厚为5mm，工作压力66Mpa，焊缝经渗透和射线检测，I级合格，成品气瓶经气压密性试验、爆破试验检验合格。

[0064] 实施例2

[0065] 采用和实施例1相同的制造方法，即先对材料进行固溶处理，再进行加工、焊接，并使用保护工装设备，制造了直径为40mm的气瓶，壁厚为5mm，工作压力40MPa。焊缝经渗透和射线检测，I级合格，成品气瓶经气压密性试验、爆破试验检验合格。材料韧性好，经测试材料强度达到1100Mpa，延伸率在8％以上。

[0066] 对比例1

[0067] 按照正常的热处理、加工、焊接工艺制造过程为：

[0068] 材料固溶时效+加工+焊接；材料固溶处理：940～960℃，保温30分钟，水淬；真空时效处理，处理过程为940±10℃，保温120分钟，随炉冷却。

[0069] (1)TC4合金初始强度为940MPa左右，经固溶时效后强度达到1100MPa，提高近20％，强度大幅度增加，普通车床刀具无法加工，只能使用进口刀具加工，且对刀具损坏严重，增加制造难度和成本。

[0070] (2)在气瓶焊接过程中，焊接热影响区温度达到900度以上，相当于对材料义进行了一次热处理，温度接近于固溶处理温度，材料性能下降明显，经测试，材料延伸率由10％下降至5％，下降近50％。严重影响材料性能，在66MPa气压试验中，材料发生脆性断裂。无法实现气瓶制造。