车用压缩天然气气瓶是环保型汽车的主要部件。随着天然气汽车的日益增多以及国家对各大城市环境 保护的强制要求,车用压缩天然气气瓶在需求量增大的同时,对其使用性能、安全性、经济性也提 出了更高的要求。本文就国内外的气瓶发展概况进行了简单叙述,并重点对国内焊接金属内胆环向 缠绕气瓶的性能进行了试验研究。1国内外压缩天然气气瓶发展概况1.1国外压缩天然气气瓶发 展概况随着天然气汽车的迅猛发展,其主要配件——天然气气瓶成为人们重点研究的课题。目前, 国外的天然气气瓶基本上有3种类型:①纯金属的钢质气瓶;②环向缠绕复合材料钢气瓶;③复合 材料“茧式”缠绕塑料(或铝)内胆气瓶。这3类气瓶工艺成熟,性能稳定,都已广泛应用于各种 汽车。而钢内胆环向缠绕气瓶由于其外形变化多样、质容比适中、成本低廉等优点而应用最广,如 乌克兰、英国及美国均采用该结构的气瓶。1.2国内压缩天然气气瓶概况目前国内有许多厂家都 在进行天然气气瓶的开发研制工作,其中钢瓶、塑料内胆(或铝内胆)全缠绕气瓶的性能稳定、工 艺成熟,市场较好。纯钢质气瓶是由无缝钢管经热压拉拔后成形,要满足其使用性能和制造工艺要 求,气瓶质量难以降低,壁厚误差较大,其质容比一般都大于1.25kg/L。而铝内胆或塑料 内胆加玻璃纤维“茧式”缠绕的复合材料气瓶价格高,工艺复杂,所使用的设备昂贵,而且用于密 封的聚合物材料易于老化并逐渐失去弹性及密封性,从而降低气瓶的使用性能,其质容比一般为0.3～0.7kg/L。针对上述2类气瓶的优缺点,结合产品的工艺特点,提出采用超强钢30CrMnSiA焊接金属作内胆,外层采用环向缠绕复合材料制作金属-复合材料气瓶的方案。首先,采用 超高强钢制作内胆既能满足强度要求又可减小质量;其次,该方案使气瓶制作工艺简化,成本低且 易于大批量生产。2技术关键及工艺研究2.1内胆的结构方案内胆的结构方案如图1所示。气瓶的使用工况:工作压力20MPa,充气次数8000次,破坏时无碎片。内胆由下封头体、筒体、上封头体和瓶嘴组成。上下封 头体直接冲压成形,筒体用钢板卷焊成形,瓶嘴由锻件毛坯机加工成形。各部分通过3条环向焊缝 和1条纵向焊缝焊接后构成整个气瓶内胆。为了保证壁厚均匀和满足强度要求,除瓶嘴外均采用30CrMnSiA的精轧板材,厚度(4±0.1)m m,板材表面光滑,无裂纹、凹坑等影响强度的缺陷。从上述结构可看出,该结构方案的技术关键为:(1)焊接工艺采用钨极氩弧焊,焊丝H18CrM o,焊接电流140～150A,电弧电压9～11V,焊速9～13m/h。在保证焊缝强度与母材强度之比>0.98的前提下,满足条件σb≥1200M Pa,σs≥900M Pa,且σs/σb≤0.85,并进行100%X射线探伤,所有焊缝无缺陷。(2)热处理工艺整体淬火:采用650℃预热,保温70m in后,加热到900图1内胆结构方案环焊缝Ⅰ纵焊缝Ⅰ环焊缝Ⅱ环焊缝Ⅲ下封头体筒体上封头体瓶嘴℃,再保温40m in后,油冷;回火:加热到495℃,水冷;冲压封头退火:加热到720～750℃,保温6h ,随炉冷却到500℃后,出炉空冷。采用上述热处理工艺即可保证瓶体内胆的强度要求。2.2 纵向焊缝性能检测为确保焊缝能满足实际工况,首先按照气瓶焊接工艺制作了2个纵向焊缝试件, 随焊接内胆一起进行热处理,并对焊缝进行100%X射线探伤后,对一个试件进行力学性能试验 ,其结果如图2所示,对另一个试件做疲劳强度试验,其结果如图3所示。疲劳试验所加载荷采用梯形波,上升时间为1.5s,保持3min后(保持应力为800M Pa)卸载,卸载时间也为1.5s,最小应力为100M Pa,并安装有标距为25m m的引伸计,测得有关数据。由图2可以看出,焊缝抗拉强度与基材抗拉强度比值均大于0.98, 表明该工艺可行。由图3可以看出,在平均加载次数达到7000次以后应变稳定,应变幅度始终 保持恒定,说明试件没有发生变形或产生裂纹。在试验应力下,可以循环11000次。2.3样 瓶试制及试验确定了焊接工艺和热处理工艺,并对纵向焊缝试件进行性能检测后,以50L气瓶为 例,制造出6只钢内胆缠绕样瓶,取其中5只样瓶,分别作了相关试验。(1)根据天然气汽车用钢瓶试验条件,用1只气瓶做水压爆破试验,爆破压力为35MPa。破坏形式为沿纵向焊缝开裂,M Pa下降到3M Pa(即3M Pa-18M Pa-3M Pa),加载频率为8～10次/m in。疲劳循环8000次后钢内胆无异常。在上述试验完成后,用3只样瓶做无碱砂环向缠绕,缠绕厚度3～5m m,分布在瓶体部分。在缠绕工序完成后,分别用这3个成品气瓶做了疲劳和爆破试验。试验情况如 下:(1)根据天然气汽车用钢瓶试验条件,用1只气瓶做水压爆破试验,爆破压力达到54.4MPa,破坏形式为沿纵向焊缝贯通性破裂,无碎片。(2)根据汽车用天然气钢瓶试验条件,可用1只气瓶做常温疲劳试验,其试验压力先由3M Pa加载到25M Pa,而后从25M Pa下降到3M Pa(即3M Pa-25M Pa-3M Pa),加载频率为8～10次/m in,疲劳循环8000次后钢内胆无异常,之后进行爆破试验,爆破压力为46.9M Pa。(3)为考核气瓶极限强度,用1只成品气瓶做疲劳破坏性试验,试验压力先由3M Pa加载到30M Pa,而后从30M Pa下降到3M Pa(即3M Pa-30M Pa-3M Pa),加载频率为8～10次/m in,疲劳循环5000次后破坏,破坏形式沿纵向焊缝破裂。3试验结果分析焊接结构金属内胆环 向缠绕气瓶50L规格样瓶,实测质容比为0.65,小于纯钢瓶,大于全复合材料气瓶。其成本 为钢瓶的1.6～1.8倍,为复合材料气瓶的0.5～0.6倍。由于我国无相关标准,参考美 国国家标准《CNG车辆燃烧罐的基本需要》中所列的试验数据,焊接金属内胆复合材料环向缠绕 气瓶试验数据见表1。试验结果表明,焊接金属内胆复合材料环向缠绕气瓶完全符合或超过美国国 家相关标准,从而证明该技术方案可行。应进一步加强对该种形式的气瓶批量和生产质量保证工作的研究,抓紧时间制定相关标准,为尽快投入大批量生产做好充分准备。4结论(1)用超高强钢30CrMnSiA制造汽车用气瓶金属内胆的结构方案是可行的,其焊接工艺和热处理工艺完全能够满足汽车 用压缩天然气气瓶对钢内胆的性能要求。(2)突破了汽车用压缩天然气气瓶金属内胆不允许有纵 向焊缝的禁区,取得了满意的试验结果。应变(%)ε1000最大应变最小应变300050007000900011000加载次数n1.00.6图3焊缝耐疲劳试验曲线试验内容压力/MPa循环/次试验实测值美国标准试验实测值美国标准爆破试验54.445——疲劳试验3-25 -33-25-380005000气密试验2020——水压试验3030——表1气瓶试验结 果图2焊缝应力-应变曲线13001250120011001000补测曲线基材σb=1250MPa012345应变ε(%)抗拉强度/σbM Pa6压缩天然气气瓶的焊接工艺@张永清$天津大学机械学院!天津300072河北建筑工程学院,河北张家口075024
@赵臣$天津大学机械学院!天津300072
@王占英$天津大学机械学院!天津300072河北建筑工程学院,河北张家口075024司,河北保定071000
@王贵森$河北省安装公司第三分公司!河北保定071000
@梁永生$河北建筑工程学院!河北张家口075024主要叙述了车用压缩天然气气瓶的国内外发 展状况,并重点陈述了金属-复合材料气瓶的结构形式、试验研究过程、关键工艺、优点等。通过 该项技术研究证明有焊缝的金属内胆同样可以满足天然气气瓶的性能要求。
天然气气瓶;;焊接内 胆;;焊接工艺胆环向缠绕气瓶50L规格样瓶,实测质容比为0.65,小于纯钢瓶,大于全复 合材料气瓶。其成本为钢瓶的1.6～1.8倍,为复合材料气瓶的0.5～0.6倍。由于我国 无相关标准,参考美国国家标准《CNG车辆燃烧罐的基本需要》中所列的试验数据,焊接金属内 胆复合材料环向缠绕气瓶试验数据见表1。试验结果表明,焊接金属内胆复合材料环向缠绕气瓶完 全符合或超过美国国家相关标准,从而证明该技术方案可行。应进一步加强对该种形式的气瓶批量 和生产质量保证工作的研究,抓紧时间制定相关标准,为尽快投入大批量生产做好充分准备。4结论(1)用超高强钢30CrMnSiA制造汽车用气瓶金属内胆的结构方案是可行的,其焊接工艺和热处理工艺完全能够满足汽车 用压缩天然气气瓶对钢内胆的性能要求。(2)突破了汽车用压缩天然气气瓶金属内胆不允许有纵 向焊缝的禁区,取得了满意的试验结果。应变(%)ε1000最大应变最小应变300050007000900011000加载次数n1.00.6图3焊缝耐疲劳试验曲线试验内容压力/MPa循环/次试验实测值美国标准试验实测值美国标准爆破试验54.445——疲劳试验3-25 -33-25-380005000气密试验2020——水压试验3030——表1气瓶试验结 果图2焊缝应力-应变曲线13001250120011001000补测曲线基材σb=1250MPa012345应变ε(%)抗拉强度/σbM Pa6压缩天然气气瓶的焊接工艺@张永清$天津大学机械学院!天津300072河北建筑工程学院,河北张家口075024
@赵臣$天津大学机械学院!天津300072
@王占英$天津大学机械学院!天津300072河北建筑工程学院,河北张家口075024司,河北保定071000
@王贵森$河北省安装公司第三分公司!河北保定071000
@梁永生$河北建筑工程学院!河北张家口075024主要叙述了车
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