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                    汽車用高壓氫氣儲氣瓶研制與制作工藝

                    添加時間:2018/07/24 來源:鋁加工 作者:陳慶 陳柏屹
                    隨著我國汽車總量的不斷增加, 尤其是城市個人擁有車輛的迅猛增長, 汽車尾氣排放給城市帶來的污染日益嚴重, 因此清潔燃料汽車得到了快速發展。以氫氣為燃料的汽車, 排放污染為零, 完全滿足當前汽車無污染、輕量化發展的要求。
                      以下為本篇論文正文:

                      摘要:目前國內自行設計和研制的車用高壓氫氣瓶鋁管坯還處于起步階段。本文從環保問題入手, 簡要介紹和分析了高壓氫氣儲氣瓶鋁管坯的特點和市場需求發展狀況, 著重闡述了高壓氫氣瓶用強旋6061無縫鋁管的制備工藝和研制情況。

                      關鍵詞:汽車; 氫氣; 儲氣瓶; 鋁管坯; 研制;

                      Abstract:Aluminum tube blank for high pressure hydrogen gas tanks for automobile designed and developed by oneself inland have been starting stage currently. The characteristics, market requirement and development of aluminum tube blank for high pressure hydrogen gas tanks are introduced and analyzed from environmental issue. Production process and development situation for strong spinning 6061 seamless aluminum tube for high pressure hydrogen gas tanks are emphasized in the paper.

                      Keyword:automobile; hydrogen; gas tank; aluminum tube blank; development;

                      隨著我國汽車總量的不斷增加, 尤其是城市個人擁有車輛的迅猛增長, 汽車尾氣排放給城市帶來的污染日益嚴重, 因此清潔燃料汽車得到了快速發展。以氫氣為燃料的汽車, 排放污染為零, 完全滿足當前汽車無污染、輕量化發展的要求。由于高壓車用環保氫氣制備供應方法:由純水生產出純度達99.9%以上、P=30MPa的氫氣技術已經突破瓶頸, 所使用的氫氣發動機制造技術已經成熟, 該方法為汽車提供氫氣能源作為動力, 既環保, 可用資源量又大, 所以以氫氣為燃料的汽車將迅猛發展。盛裝氫氣的壓力容器從鋼質氣瓶發展到鋁內膽纖維全纏繞的氣瓶, 該類高壓氫氣瓶具有承壓能力高、質量輕、耐腐蝕性強等優良性能, 成為當前車用儲氫氣瓶的首選。

                      車載鋁質氫氣儲氣瓶是用6061無縫管坯強旋減壁、收口、纏繞碳纖維、熱處理、化學拋光、鈍化和涂層等工序加工制作而成, 在我國目前尚處在起步階段, 個別發達國家的鋁質瓶已投入使用。前期我國已經制造了部分鋁合金材料代替鋼鐵材料制造天然氣儲氣瓶, 經過十來年的使用, 安全輕便。由于鋁質氫氣儲氣瓶工作時內壓是天然氣瓶的1.5~2倍左右, 因此管坯的技術要求更高。

                      1、汽車用高壓氫氣儲氣瓶簡介

                      普通汽車加裝一套改裝系統即可成為氫氣燃料汽車, 它是現代汽車發展的趨勢, 屬于無污染汽車的一種, 氫燃料與天然氣、汽油等相比具有以下優點:單位質量低熱值高, 約是汽油低熱值的2.7倍;可燃混合氣濃度范圍大, 氫氣易于實現稀薄燃燒;自燃溫度較高, 利于提高壓縮比;點火能量低, 最小可以低到0.02m J;燃燒速度快, 氫的燃燒反應按鏈式反應機理進行;火焰傳播速度快, 是汽油的7.72倍;在發動機燃燒時抗爆性比汽油好, 可采用較高的壓縮比;在空氣中的擴散系數很大, 是汽油的12倍, 因此氫氣比汽油更容易和空氣混合形成均勻的混合氣, 燃燒效率高。氫氣燃料車與燃油汽車相比其特點見表1。車載氫燃料一般采用高壓氣瓶儲存, 現階段高壓氫氣儲氣瓶多為鋼質復合材料制成, 由于其比重大, 很難推廣使用, 高壓鋁質儲氣瓶將是無污染汽車的最佳選擇對象。

                    表1 氫氣燃料汽車與燃油汽車性能對比
                    表1 氫氣燃料汽車與燃油汽車性能對比

                      1.1、鋁質儲氣瓶

                      高壓鋁質儲氣瓶是用大規格鋁合金管坯經旋壓封頭形成的一個封閉容器, 具有經濟、安全、輕便、存貯容量大、快速填充等特點, 瓶內充滿氫氣壓力一般在35MPa左右, 瓶耐壓不小于70MPa。

                      管坯材料為6061-T1, 各項技術指標要求高:無縫、薄壁、表面光潔、熱處理后性能高、偏心度小、彎曲度小、外徑大、定尺長。

                      1.2、鋁管坯市場需求狀況

                      資料顯示, 新能源汽車行業對鋁制汽車部件的需求增長迅猛。據數據顯示, 2016年我國生產新能源汽車51.7萬輛, 同比增加52%, 汽車銷量占比1.84%, 所占市場絕對比例仍較小。在政府不斷出臺補貼政策的情況下, 預計在2021年前新能源汽車產量將會保持大約35%的年復合增速, 2021年將達到232萬輛。十年內, 以氫氣為燃料的汽車占新能源汽車的比例將由現在的不到1%上升到30%, 所需鋁管坯量將達到100kt以上 (2017年市場需求為5000t) 。

                      2、研制的難點及分析

                      2.1、管坯特點

                      (1) 管坯無縫。要求在大型擠壓機上用空心鑄錠擠壓或實心鑄錠穿孔擠壓制造, 經理論計算擠壓力在8000t以上。

                      (2) 管坯外徑大, 達?260~?400mm, 壁薄, 8~20mm。

                      (3) 管坯各項技術指標要求高, 均超過國標GB 44371-2000標準 (高精度) , 見表2。

                    表2 氫氣瓶管坯的各項指標與國標指標的比較
                    表2 氫氣瓶管坯的各項指標與國標指標的比較

                      2.2、管坯研制的難點

                      (1) 管坯壁薄、內外徑公差小。要求擠壓筒、擠壓軸、空心墊片和?字行牟荒芷0.5mm, 拉伸矯直和鋸切所產生的變形不能大于0.5mm。

                      大口徑氣瓶管坯只能選用80MN以上壓力的臥式擠壓機生產。決定管坯外徑、公差、表面質量等方面的因素是模子, 決定管坯內徑各方面的因素是針支承、擠壓針、針尖。針支承、擠壓針、針尖之間是螺紋連接, 針支承由螺紋與擠壓機本體連接成一懸臂梁。大型擠壓機的梁長一般5m左右, 重約4~5t, 在自重狀態下, 由于螺紋配合間隙和彈性變形存在, 導致針尖與模子中心不可能重合, 經實際試測試, 針尖偏移模子中心下5~10mm。

                      由此可以看出:用臥式擠壓機生產壁厚8~20mm, 而且偏差<1.5mm的氣瓶管是不可能, 偏心不可避免, 必須選用立式擠壓機才行。但目前國內乃致國際上擠壓鋁合金的立式擠壓機擠壓力都不大, 沒有超過5000t的, 且立式行程不夠。

                      管坯內徑公差帶在3mm內, 模子針尖尺寸難以確定, 薄壁管線尺寸收縮量與棒材、厚壁管不一樣, 且以前沒有薄壁管數據資料, 模子針尖尺寸給定完全是由理論推定, 沒有參考數據。

                      (2) 彎曲度、橢圓難于控制。國標GB 4437.1-2000標準中只有外徑小于250mm的管材檢查彎曲度, 因而生產直徑大于250mm的管材均不經過拉伸矯直工序, 但氣瓶管坯彎曲度小于1mm/m, 必須經過拉伸矯直。拉伸芯棒, 單個重120~200kg, 手工操作, 拉伸中易產生橢圓和壁厚變形不均。

                      因鉗口工作面為平面, 拉伸時管坯只有上下兩條線帶主要受力, 管坯出現橢圓和壁厚變形不均;在鋸切、取樣中管坯易變形, 出現橢圓現象。

                      (3) 表面內壁質量要求高。內壁劃痕≤0.05mm, 相當于擠壓紋路或劃痕, 摸起來無手感。而管材材料軟, 熱狀態下 (400℃左右) 6061合金的σb在17~25MPa間, 所以在生產中控制內壁表面劃痕≤0.05mm很難, 鑄錠要求冶金質量好。

                      (4) 管坯組織性能高, 必須嚴格控制鑄錠成分, 要有最佳的擠壓工藝。

                      氫氣儲氣瓶管坯材料的化學成分要求嚴, 在國標范圍內, 按照某公司內部6061合金特殊成分控制要求配料, 同時嚴格控制個別有害雜質元素Pb、Bi的含量。

                      (5) 擠壓產品都存在受工具和工藝影響導致金屬變形不均問題, 儲氣瓶管坯因表面、尺寸、組織、性能等各方面要求較高, 因而必須對現有工藝進行改進和優化。

                      3、制備工藝

                      由于該產品各項指標要求高, 生產難度大, 有待克服多種技術難題, 所以在生產中必須采取系列措施, 如:通過擠壓筒中心來調整擠壓針中心、減小擠壓墊片與筒內套的配合公差、減短鑄錠長度;擠壓時先裝鑄錠、墊片, 待擠壓軸把鑄錠、墊片推到位后, 再前進穿孔針、制造專用導路、加強各工序嚴格軟接觸管理等。

                      工藝確定后, 再結合上面系列措施的執行, 氫氣儲氣瓶用強旋6061無縫管最終研制成功, 并實現了批量生產。下面簡單介紹某公司生產的?375.5mm×20mm×4000mm典型規格的部分工藝, 產品見圖1。

                      (1) 工具準備:?650mm擠壓筒、?360mm擠壓針、?335mm針尖、?375.5mm管模;準備軟接觸的墊料和吊具。

                      (2) 鑄錠準備:按要求進行成分配料, 熔煉鑄成?630mm×1250mm棒, 均火, 機加鏜孔?630mm×?370mm×1250mm, 內外表面無油污、灰塵。

                      (3) 擠壓工藝參數見表3。

                    表3 擠壓工藝參數
                    表3 擠壓工藝參數

                      (4) 擠壓要求:擠壓慢速鐓粗上壓, 每個料檢查內腔表面, 有問題及時處理。

                      (5) 拉伸:按照相關規定進行切頭尾后拉伸, 拉伸率為1.8%~2.0%。

                      (6) 切頭尾、取樣、切定尺。

                      (7) 檢驗、包裝。

                    圖1 氫氣瓶6061鋁管坯
                    圖1 氫氣瓶6061鋁管坯

                    圖1 氫氣瓶6061鋁管坯
                    圖1 氫氣瓶6061鋁管坯

                      4、研制結果

                      按照國標GB 4437.1-2000標準 (高精度) 及專用技術協議對所研制的6061無縫氫氣瓶管坯進行檢驗, 結果如下:

                      (1) 性能指標:σb≥310MPa, σ0.2≥270MPa, δ=14%。

                      (2) 低倍組織無標準和協議中不允許的缺陷, 晶粒度1級, 見圖2。

                    圖2 6061鋁管坯的低倍和高倍組織
                    圖2 6061鋁管坯的低倍和高倍組織

                    圖2 6061鋁管坯的低倍和高倍組織
                    圖2 6061鋁管坯的低倍和高倍組織

                      (3) 管坯外徑為?374.5mm~?376.2mm, 內徑為?336.2mm~?337.6mm, 壁厚差為0~1.5mm, 內徑公差為0.7~2.1mm。

                      (4) 內表面光潔, 無深度大于0.05mm以上的擦劃痕。

                      (5) 彎曲度在1mm/m以內。

                      以上結果均達到了雙方技術協議的指標要求。在首批產品發出后幾個月, 后續訂單陸續增加, 因此氫氣瓶6061鋁管坯開發已開始實現市場化。

                      5、結論

                      高壓氫氣瓶用強旋6061無縫鋁管坯國內已研制成功, 并實現了批量生產。所采用的正是本文研制的工藝, 證明該生產工藝是正確、合理、可行的。

                      對80MN以上大型臥式壓機的工模具進行適當調整和采取一定的相應措施, 生產公稱直徑在?260mm以上、壁厚在10~20mm、高精度、高質量的氫氣儲氣瓶管坯是可行的。

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