一种一端封底铝合金内胆超高压全缠绕气瓶及其制造方法技术

本申请提供了一种一端封底铝合金内胆超高压全缠绕气瓶及其制造方法。该一端封底铝合金内胆超高压全缠绕气瓶包括：铝合金内胆、复合材料加强层和外部保护层；铝合金内胆为一端封底、另一端收口成型封头及瓶口的一体式无缝结构，包括：封头和封底分别位于直筒段的两端，瓶口位于封头上；铝合金内胆的长度小于5米，直筒段的公称外径为为Ф406

【技术实现步骤摘要】
一种一端封底铝合金内胆超高压全缠绕气瓶及其制造方法


[0001]本申请涉及高压容器
，特别涉及一种一端封底铝合金内胆超高压全缠绕气瓶及其制造方法。

技术介绍

[0002]随着氢燃料电池和电动汽车的迅速发展与产业化,氢源技术及氢能基础设施的研究和建设已引起发达国家的高度关注。安全经济的氢气储运技术是氢能利用推向实用化、产业化的关键。使用压力达到35
‑
70MPa超高压气瓶高压储氢是最常用和最直接的储氢方式。高压储氢可在常温下使用，通过阀门的调节就可以直接将氢气释放出来，具有储氢气瓶结构简单、压缩氢气制备的能耗较少、充装速度快等优点，超高压气瓶高压储氢已成为现阶段氢能储运的主要方式。
[0003]目前，铝合金内胆碳纤维全缠绕超高压气瓶具有众多优点，采用铝合金内胆超高压复合氢气瓶具有以下优点；
[0004](1)气瓶重量轻、刚性好、强度高，同等性能下材料厚度仅为钢瓶的50％
‑
70％，且密度更低，因而其重量仅为传统钢瓶的35％
‑
40％；
[0005](2)金属材料的疲劳破坏通常是没有明显预兆的突发性破坏，而复合材料中的增强物与基体的结合既能有效地传递载荷,又能阻止裂纹的扩展，提高了气瓶的断裂韧性；
[0006](3)复合材料中的大量增强纤维使得材料过载而少数纤维断裂时，载荷会迅速重新分配到未破坏的纤维上，使整个气瓶在短期内不至于失去承载能力；
[0007](4)复合材料气瓶在受到撞击或高速冲击发生破坏时不会产生具有危险性的碎片，从而减少或避免了对人员的伤害；
[0008](5)无需特殊处理就能满足耐腐蚀的要求；
[0009](6)与无缝钢质气瓶需要的复杂工序相比，纤维缠绕工艺更加灵活，容易变换，工序更为简化，也容易实现自动化，且能耗远远低于钢质气瓶的生产过程；
[0010](7)纤维缠绕为超高压提供了便捷、可靠的技术方案，是实现70MPa超高压储氢的最有效方案。
[0011]例如，外径Ф406
‑
Ф850mm、长度不大于5m的铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶主要用作重型卡车、中型运输车、巴士、工程车等类型车辆的燃料气瓶，以及模块化氢燃料气瓶组储运气瓶等移动使用大容积超高压气瓶。但是，受到材料、生产等技术能力的限制，我国目前还未能生产直径大于Φ406mm的铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶，核心问题就是铝合金内胆无法制造。为了进一步掌握具有自主知识产权的大型压缩天然气、氢气和混合燃气等储运装置的关键技术及产品，迫切的需要开发具有直径大、长度长、质量轻、可靠性高等特性的铝合金内胆超高压全缠绕气瓶产品。

技术实现思路

[0012]本申请的目的在于提供一种一端封底铝合金内胆超高压全缠绕气瓶及其制造方
法，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。
[0013]为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
[0014]本申请提供了一种一端封底铝合金内胆超高压全缠绕气瓶，包括：铝合金内胆、复合材料加强层和外部保护层；所述铝合金内胆为两端收口成型封头及瓶口的一体式无缝结构，包括：瓶口、封头、直筒段、封底，所述封头和封底分别位于所述直筒段的两端，所述瓶口位于所述封头上；铝合金内胆的长度小于5米，直筒段的公称外径为为Ф406
‑
Ф850mm，超高压气瓶的额定压力为30
‑
90Mpa；其中，采用反挤压成型制得由封底和一端开口的直筒段构成的无缝管材，采用数控强力旋压机对无缝管材的直筒段进行多道次强力外旋压成形处理，得到铝合金内胆旋压管；铝合金内胆旋压管分别进行封头和瓶口的旋压成型，得到第二旋压件；在封头和瓶口的旋压成型时，采用单侧X直线、Z直线和旋转三向插补式收口旋压机对加热至200
‑
400℃的铝合金内胆旋压管的待收口旋压处进行多道次收口旋压；在旋压过程中，收口旋压第1
‑
8道次带有反旋，用于瓶口部位的增厚；制得的第二旋压件的封头的厚度由边缘的(5,8)mm向瓶口部位的25mm均匀渐变增厚；所述复合材料加强层包覆于所述铝合金内胆的外侧，其中，所述复合材料加强层是以螺旋和环向相结合的缠绕方式缠绕碳纤维并用树脂固化而成；所述外部保护层包覆于所述复合材料加强层的外侧，其中，所述外部保护层是以螺旋和环向相结合的缠绕方式缠绕玻璃纤维并用树脂固化而成。
[0015]本申请实施例还提供一种一端封底铝合金内胆超高压全缠绕气瓶的制造方法，用于制造上述任一所述的一端封底铝合金内胆超高压全缠绕气瓶，包括：
[0016]步骤S1、带封底坯料整体反挤压成型；
[0017]所述步骤S1：采用加热反挤压工艺结合车削、镗削工艺，制得由封底和一端开口的直筒段构成的无缝管材；具体包括如下步骤：
[0018]铝锭加热，将待挤压铝锭预热至200
‑
400℃；
[0019]模具加热，将挤压外模具和内挤压杆均预热至200
‑
400℃；
[0020]挤压成型，将铝锭放置在挤压模具内，在持续加热保温下，通过多次挤压将坯料制成带有封底的预制管坯；
[0021]采用车削方法加工预制管坯的外表面至旋压坯料所需尺寸；
[0022]采用镗削方法，加工预制管坯的内表面至旋压坯料所需尺寸，制得由封底和一端开口的直筒段构成的无缝管材；
[0023]步骤S2、铝合金内胆旋压管制备：采用数控强力外旋压机对无缝管材的直筒段进行多道次强力外旋压成形处理，得到铝合金内胆旋压管；其中，步骤S2具体为：
[0024]步骤S201、铝合金内胆旋压管直筒段旋压成型：采用三轮错距正旋或反旋旋压方法对无缝管材进行2
‑
4次旋压过程，得到第一旋压件；正旋旋压时采用加工长度等于设定产品长度1.2
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1.4倍的芯模进行旋压辅助加工；反旋旋压时采用加工长度等于设定产品长度0.6
‑
0.8倍的芯模进行旋压辅助加工；
[0025]步骤S202、铝合金内胆旋压管的定长加工：对步骤S201中得到的第一旋压件进行定长加工，得到铝合金内胆旋压管；
[0026]步骤S203、铝合金内胆旋压管的清洗：采用清洗机对步骤202中得到的铝合金内胆旋压管进行清洗；
[0027]步骤S204、铝合金内胆旋压管的检验：采用尺寸、形状公差及表面缺陷检测设备对
铝合金内胆旋压管形状、尺寸公差进行检验，自动检测内外表面是否有缺陷；
[0028]步骤S205、修磨铝合金内胆旋压管：采用数控内外圆修磨机对步骤S204中检测出表面缺陷的铝合金内胆旋压管进行内外表面划伤、碰伤的修磨，包括：
[0029]步骤S215、驱动铝合金内胆旋压管旋转，驱动内圆修磨机构自带的视觉检测设备对步骤S204中检测到的内表面缺陷进行定位，并根据定位后的位置，进行逐点修磨；其中，修磨时，铝合金内胆旋压管以30r/min的速度，在(
‑
10
°
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种一端封底铝合金内胆超高压全缠绕气瓶，其特征在于，包括：铝合金内胆、复合材料加强层和外部保护层；所述铝合金内胆为一端封底、另一端收口成型封头及瓶口的一体式无缝结构，包括：瓶口、封头、直筒段、封底，所述封头和封底分别位于所述直筒段的两端，所述瓶口位于所述封头上；铝合金内胆的长度小于5米，直筒段的公称外径为为Ф406
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Ф850mm，超高压气瓶的额定压力为30
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90Mpa；其中，采用反挤压成型制得由封底和一端开口的直筒段构成的无缝管材，采用数控强力外旋压机对无缝管材的直筒段进行多道次强力外旋压成形处理，得到铝合金内胆旋压管；铝合金内胆旋压管进行封头和瓶口的旋压成型，得到第二旋压件；在封底和瓶口的旋压成型时，采用单侧X直线、Z直线和旋转三向插补式收口旋压机对加热至200
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400℃的铝合金内胆旋压管的待收口旋压处进行多道次收口旋压；在旋压过程中，收口旋压第1
‑
8道次带有反旋，用于瓶口部位的增厚；制得的第二旋压件的封头的厚度由边缘的(5,8)mm向瓶口部位的25mm均匀渐变增厚；所述复合材料加强层包覆于所述铝合金内胆的外侧，其中，所述复合材料加强层是以螺旋和环向相结合的缠绕方式缠绕碳纤维并用树脂固化而成；所述外部保护层包覆于所述复合材料加强层的外侧，其中，所述外部保护层是以螺旋和环向相结合的缠绕方式缠绕玻璃纤维并用树脂固化而成。2.根据权利要求1所述的一端封底铝合金内胆超高压全缠绕气瓶，其特征在于，所述气瓶的容积为(280，2800)L；优选的，所述气瓶的长度为(2.8，5)m；优选的，所述气瓶的工作压力为35MPa；优选的，所述气瓶的容积为(280，510)L；优选的，所述气瓶的使用温度为(
‑
40℃，85℃)；优选的，所述气瓶用于承装氢气；优选的，所述气瓶用于车载卧式放置的燃料气瓶和立式防止的车载储运气瓶；优选的，所述铝合金内胆的直筒段的壁厚为(1，10)mm，所述直筒段的整体直线度不大于0.3mm/m；优选的，所述直筒段的壁厚的公差小于等于
±
0.1mm；优选的，所述直筒段任意直线段位置局部直线度不大于0.3mm/300mm；优选的，所述直筒段整体直线度不大于1mm/全长；优选的，所述直筒段任意位置的圆度不大于0.3mm；优选的，所述直筒段的内表面粗糙度小于Ra0.8μm，所述直筒段的外表面粗糙度小于Ra1.6μm。3.根据权利要求1所述的一端封底铝合金内胆超高压全缠绕气瓶，其特征在于，所述封头的厚度由边缘向所述瓶口部位均匀渐变增厚；优选的，所述封头的厚度由边缘的(5，8)mm向所述瓶口部位的(10，25)mm均匀渐变增厚；优选的，所述封底的厚度由边缘的(5，8)mm向所述封底底部的(10，25)mm均匀渐变增厚；优选的，所述封头可采用椭球型封头或蝶形封头或半球形封头，所述封底的结构类型
与所述封头的曲面结构类型相同；所述封底的厚度由边缘向封底的中心均匀渐变增厚；优选的，所述瓶口的长度为40mm，所述瓶口的外径为(50，96)mm，所述瓶口的内径为(28.6，50.8)mm。4.根据权利要求1所述的一端封底铝合金内胆超高压全缠绕气瓶，其特征在于，所述复合材料加强层的碳纤维和所述外部保护层的玻璃纤维均采用湿法缠绕；优选的，所述碳纤维为连续无捻碳纤维；优选的，所述碳纤维的抗拉强度不小于4900MPa；所述碳纤维缠绕的缠绕张力不小于5N；优选的，所述树脂为热固性树脂，所述树脂的玻璃化转变温度不低于105℃；优选的，所述树脂为环氧树脂或改性环氧树脂；优选的，所述碳纤维和/所述玻璃纤维在缠绕完成4小时内，采用箱式加热炉固化，且固化时，所述气瓶始终进行自旋转。5.根据权利要求1所述的一端封底铝合金内胆超高压全缠绕气瓶，其特征在于，所述气瓶需进行自紧水压，并通水压、气密测试，以及疲劳、爆破测试；优选的，所述自紧水压压力为所述气瓶使用压力的1.8倍；优选的，所述气瓶疲劳测试的疲劳次数不小于15000次。6.一种一端封底铝合金内胆超高压全缠绕气瓶的制造方法，用于制造权利要求1
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5任一所述的一端封底铝合金内胆超高压全缠绕气瓶，其特征在于，包括：步骤S1、带封底坯料整体反挤压成型；所述步骤S1：采用加热反挤压工艺结合车削、镗削工艺，制得由封底和一端开口的直筒段构成的无缝管材；具体包括如下步骤：铝锭加热，将待挤压铝锭预热至200
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400℃；模具加热，将挤压外模具和内挤压杆均预热至200
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400℃；挤压成型，将铝锭放置在挤压模具内，在持续加热保温下，通过多次挤压将坯料制成带有封底的预制管坯；采用车削方法加工预制管坯的外表面至旋压坯料所需尺寸；采用镗削方法，加工预制管坯的内表面至旋压坯料所需尺寸，制得由封底和一端开口的直筒段构成的无缝管材；步骤S2、铝合金内胆旋压管制备：采用数控强力外旋压机对无缝管材的直筒段进行多道次强力外旋压成形处理，得到铝合金内胆旋压管；其中，步骤S2具体为：步骤S201、铝合金内胆旋压管直筒段旋压成型：采用三轮错距正旋或反旋旋压方法对无缝管材进行2
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4次旋压过程，得到第一旋压件；正旋旋压时采用加工长度等于设定产品长度1.2
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1.4倍的芯模进行旋压辅助加工；反旋旋压时采用加工长度等于设定产品长度0.6
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0.8倍的芯模进行旋压辅助加工；步骤S202、铝合金内胆旋压管的定长加工：对步骤S201中得到的第一旋压件进行定长加工，得到铝合金内胆旋压管；步骤S203、铝合金内胆旋压管的清洗：采用清洗机对步骤202中得到的铝合金内胆旋压管进行清洗；步骤S204、铝合金内胆旋压管的检验：采用尺寸、形状公差及表面缺陷检测设备对铝合

【专利技术属性】
技术研发人员：王东坡，宋剑，马世成，顾嘉杰，张月倩，
申请(专利权)人：海鹰空天材料研究院苏州有限责任公司，
类型：发明
国别省市：