大直径薄壁压力容器封头成形工艺与设备合理性的探讨.pdf
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1、专题综述大直径薄壁压力容器封头成形工艺与设备合理性的探讨丘铭军 李新强 范淑琴 杨芮庚 赵升吨李 坤 蒋 飞 刘柏杨 陈 超(.西安交通大学 机械工程学院 陕西 西安 .中国重型机械研究院股份公司陕西 西安 .中南大学 轻合金研究院 湖南 长沙)摘 要:介绍了大直径薄壁的压力容器的主要应用领域与关键部位的制造工艺 指出大直径薄壁压力容器产品在现代工业中应采用高效高性能高可靠低成本(三高一低)的成形工艺与设备来实现因封头制造难度最大 研发封头所采用的不同塑性成形工艺与设备极为重要 论述了大直径薄壁压力容器用封头的板材变极性等离子焊接成形、板材变极性 熔焊成形、板材搅拌摩擦焊成形、板材整体充液成形
2、和板材整体旋压成形 种成形工艺及其设备 比较了 种成形工艺与设备各自的优缺点及其合适的工业化应用领域 为大直径薄壁压力容器产品的高效精密成形工艺与设备的工业化推广应用奠定坚实的基础关键词:材料成形 压力容器封头 焊接 充液成形 旋压中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.().收稿日期:修订日期:基金项目:国家自然科学基金联合重点基金项目()国家自然科学基金面上项目()国家自然科学基金青年项目()陕西省秦创原专项项目()西安交通大学金属材料强度国家重点实验室开放研究项目()湖南省“湖湘高层次人才”项目()作者简介:丘铭军()男 西安交通大学机械工程学院博士研究生 中国重型机械研究院教授
3、级高工 主要研究方向:成形工艺及液压装备通信作者:赵升吨()男 西安交通大学二级教授 主要研究方向:成形工艺与设备 .重 型 机 械 .:前言大直径薄壁压力容器的应用领域主要有航天中的燃料储箱、固体火箭发动机外壳、铁路运输中的油气水泥等的储运罐车、城市中加气加油站的油气罐和化工领域的化学反应釜 如图 所示图 大直径薄壁压力容器的典型应用场合随着我国航空航天技术的不断发展 对火箭的运载能力也有了更高的要求 大型火箭发动机的壳体的筒形件的直径也由 逐渐扩大至 装备质量约 属于百吨级的超大型运载火箭 这就对大型运载火箭的制造能力提出了更高的要求 但目前 仅美俄两国拥有超大型运载火箭制造能力:美国用于
4、阿波罗载人登月的“土星五号”运载火箭箭体直径 近地轨道运载能力 俄罗斯也研制了百吨级别搭载能力的火箭“能源号”而我国所发射的火箭 其搭载级别仅为 左右 正在开发的长征五号火箭筒体直径 其承载能力也只有 跟国外发达国家相比还有很大差距 也很难满足我国航空航天事业的发展要求 为此 我国已启动超大型运载火箭的预研论证工作 长征九号运载火箭芯级箭体直径 级 捆绑 个 直径助推器 直径新贮箱选用 铝合金材料 起飞推力 搭载 火箭总高 燃料储箱高度接近 航天运载用大型火箭发动机中的液态煤油、液氧、液态氢氧燃料储箱 是由圆柱形的大直径筒身和球型封头构成 为薄壁结构 用于存放氢气和氧气两种液态燃料 是火箭架构
5、的主体承重部件 承受了火箭其他仪器设备的重量 燃料储箱在火箭发射过程中会受到剧烈动静载荷的作用还包括压力作用 拉弯作用等 其结构形式、材料性能和结构承载能力对大型运载火箭装备的整体性能起着决定性作用 而大型火箭发动机中燃料储箱的封头作为其中的主要结构件 对其制造技术和制造精度提出了很高的要求 因此开展大直径薄壁压力容器的高效高性能高可靠性低成本(三高一低)的制造工艺与设备的研发势在必行 大直径薄壁压力容器关键部位的制造工艺分析 如图 所示的铁路油、气、水泥等储运罐车的压力容器的关键部位主要包括罐体的中间筒节与两端的近球形状的封头两大部位 然后将该两大部分再采用焊接工艺连接为一体 其中的筒节在大
6、直径的卷板机设备上进行板材整体卷板滚压成形 卷圆后再完成轴向焊接成整圆 大直径薄壁的压力容器的中间筒节上述的卷圆与焊接成形工艺相对成熟 工艺稳定性可靠性好 可确保压力容器的高性能要求图 铁路用油气水泥储运罐车组成及其塑性成形工艺但如图 所示的大直径薄壁压力容器罐体的封头由于其制造难度大 国内外针对该大直径薄重 型 机 械 壁封头开展了大量的高效高性能高可靠性低成本(三高一低)的制造工艺与设备的研发工作 为此下面重点论述大直径薄壁压力容器用封头的板材变极性等离子焊接成形、板材变极性钨极惰性气体()熔焊成形、板材搅拌摩擦焊成形、板材整体充液成形和板材整体普旋旋压成形 种成形工艺及其设备 探讨该 种
7、成形工艺与设备各自的优缺点及其合适的工业化应用领域 从而为大直径薄壁压力容器产品的高效高性能高可靠性低成本(三高一低)工艺与设备的工业化推广应用奠定坚实的基础 大直径薄壁压力容器封头的 种成形工艺与设备 针对大直径薄壁压力容器封头 目前工业实际中的塑性成形方法依据成形的工件形状分为板材整体成形与分瓣焊接两大类型 而下面论述的分瓣板材变极性等离子焊接、分瓣板材变极性 熔焊成形、分瓣板材搅拌摩擦焊成形、整体板材充液冲压成形、整体板材冲旋复合成形 种成形方式中的整体板材充液冲压成形、整体板材冲旋复合成形的成形方式为整张的板材成形 而分瓣焊接成形方式主要包括了分瓣板材变极性等离子焊接、分瓣板材变极性
8、熔焊成形、分瓣板材搅拌摩擦焊成形三种工艺类型如图 所示的分瓣焊接类型先将薄板通过冲压或者拉形工艺获得瓜瓣形状 然后将不同的瓜瓣形状拼接一起焊接 获得最终的近球形整体封头 但由于分瓣焊接方式焊缝的存在 导致焊后的整体瓜瓣形状的封头的力学性能不均匀容易发生应力集中以及在动载荷条件下发生脆性断裂等缺陷 这些缺陷随着对产品低成本、轻量化、减薄材料厚度等高性能与高可靠性会产生不利影响 而整体成形方式虽然可实现高效高性能高可靠性 但大直径板材整体塑性成形方式的设备投资太大图 大直径薄壁封头的瓜瓣焊接法成形工艺流程 分瓣板材变极性等离子焊接变极性等离子弧焊()即不对称方波交流等离子弧焊变极性等离子弧()焊是
9、在非熔化极气体保护焊基础上发展起来的一种电弧焊方法 它综合了变极性 焊和等离子弧焊的优点 其与其他熔化焊接方法相比 具有能量集中、电弧挺度大、一次穿透深度大、焊后变形小等特点一方面 它的特征参数电流频率、电流幅值及正负半波导通时间比例可根据工艺要求独立调节 合理分配电弧热量 在满足焊件熔化和自动去除焊件表面氧化膜的同时 最大限度地降低钨极烧损 另一方面 可有效地利用等离子束流所具有的高能量密度、高射流速度、强电弧力的特性 在焊接过程中形成穿孔熔池 实现铝合金中厚板单面焊双面成形变极性等离子弧焊是一种针对铝及其合金开发的新型高效焊接工艺方法 变极性等离子弧焊接技术主要用于各种铝合金的焊接 其单道
10、焊接铝合金厚度可达 的工艺特点是在焊接过程中 正极性电流()幅值、反极性电流()幅值、一个周波内正反极性电流持续时间的比例可以分别独立调节 这既有利于焊缝熔透 又有利于清理铝合金氧化膜 在铝合金的焊接中采用小孔型向上立焊工艺 既有利于焊缝的正面成形 又有利于熔池中氢的逸出 减少铝合金的气孔缺陷 因此被称为“零缺陷焊接”方法等离子弧焊工艺方法主要有 种 熔入法和小孔法 当焊件较薄时 往往采用熔入法进行施焊 当焊件较厚时 常采用小孔法进行焊接 采用小孔法进行焊接时 等离子弧将焊件完全熔透 并在等离子流力的作用下形成一个穿透焊件的小孔 熔化金属被排挤在小孔周围、随着等离子弧在焊接方向上的移动 熔化金
11、属沿着电弧周围的熔池壁向熔池后方移动 并在正反面结晶成形 实现了单面焊双面成形 美国 公司、公司和美国航天局 等在这方面的研究工作表明 在铝合金的焊接中 小孔型等离子弧焊是一种最理想的铝合金焊接方法同一般的非压缩的钨极氩弧焊相比 小孔型 焊接方法在工艺上具有许多突出的特点其焊缝内部缺陷少 如气孔、夹渣等 在小孔型等离子弧焊接过程中 等离子弧以及离子气流穿过小孔起着一定的冲刷作用 在其他焊接方法中残留在熔化金属中生成气孔的气体会被等离子弧以及离子气流通过小孔带走 夹渣也同样被冲刷掉 与 焊相比 气孔明显减少 对于纯铝的焊接效果更为显著 基本上无气孔存在 并且可 重 型 机 械焊厚度范围宽 等离子
12、弧熔透能力强 对于 厚的铝合金可以实现各种位置的焊接 研究结果表明 如果不填充焊丝 平板对焊 单道焊最大厚度是 若焊接更厚的材料 必须采用立焊方法 对于 以下的铝合金可以一次性焊透 对于 以上的铝合金通常要制备较为复杂焊接接头 现已经实现了 厚铝合金的一次性穿透焊接 目前 单道焊的最大可焊厚度似乎不是焊接方法本身的限制 而是受焊接电源功率的限制 如果增大焊接电源的额定功率 焊接更厚的材料也是可能的由于等离子弧熔透能力强 加热集中 熔化区域小 而且小孔型焊接对焊件正、反面加热均匀减少了焊后焊件的挠曲变形 与 焊相比焊件的挠曲变形明显减小 小孔型等离子弧焊焊缝与 焊焊缝进行比较 在焊后状态下 屈服
13、强度相差不多 可是 在刮掉根部焊缝和加厚高的条件下 小孔型等离子弧焊焊缝的屈服强度要高于 焊焊缝的屈服强度 这说明等离子弧弧焊质量在一定程度上 要高于其他弧焊方法的焊缝质量 焊缝力学性能好 而且焊缝变形较小由于等离子弧能量密度高 穿透能力强 因此小孔型等离子弧焊可焊厚度大 特别对于厚板焊接 焊道次数大大减少 焊缝内部气孔、夹渣等缺陷少 焊接接头变形小 减少了焊后检验工作和修补工作量 对接头可采用 型坡口 而且对油污的敏感性小 焊前准备工作量少 无论是在时间上还是在费用上明显少于 焊和 焊 是一种高效率、低成本的焊接方法 当然其也存在一些缺点 比如焊接可变参数多 规范区间窄 采用立向上立焊工艺
14、只能自动焊接 焊枪对焊缝质量影响较大 喷嘴寿命短变极性等离子焊接成形满足交流焊铝的阴极清理作用 降低了钨极的烧损 等离子弧能量集中 可一次穿透焊接 适于中厚度()铝合金的优质高效自动焊接 广泛用于美国航天飞机外贮箱、运载火箭(大力神、和 等系列)贮箱的焊接生产 分瓣板材变极性 熔焊成形变极性钨极惰性气体保护焊 又叫 (缩写)熔焊成形 是工业中被广泛采用的焊接工艺之一 可用在封头瓜瓣成形最后的焊接成形的工艺过程 从 焊焊接电源的极性看 铝合金的焊接经历了以下几个阶段:直流正接 焊、直流反接 焊、正弦波交流 焊、方波交流 焊以及发展到变极性 焊 变极性 焊接电源是一种用于铝合金焊接的新型焊接设备
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