铝合金无缝气瓶的设计与制造

郝延平

(沈阳特种设备检测研究院，辽宁 沈阳 110035)

铝合金无缝气瓶的设计与制造

郝延平

(沈阳特种设备检测研究院，辽宁 沈阳 110035)

详述了铝合金无缝气瓶的设计原则、材料选择的要求、制造工艺方法和制造中应注意的问题，解析了铝合金无缝气瓶在设计和制造上的独特性和特殊要求。

铝合金无缝气瓶；热处理；挤压；旋压；冲压；变薄拉伸

20世纪30年代，瑞典、法国开始制造铝合金无缝气瓶，但由于当时生产成本偏高，制约了铝合金无缝气瓶的发展。到了20世纪50年代，英国勒克斯菲尔公司首先采用冷挤压工艺制造铝合金无缝气瓶，大大降低了成本，产量也很快得到了提高。20世纪90年代，我国开始制造铝合金无缝气瓶，生产时间虽然不长，但发展非常迅速，现在已有许多气瓶制造厂生产铝合金无缝气瓶。铝合金无缝气瓶已经广泛应用于电子、医疗、潜水、化工、冶金、矿山等领域。

1 铝合金无缝气瓶设计

与其它气瓶一样，铝合金无缝气瓶筒体部分是一薄壁圆柱形壳体，或称薄壁圆筒。所谓薄壁圆筒，从力学上讲就是指：当圆筒的壁厚相对于半径很小时，圆筒断面上承受弯矩的能力很小，筒壁主要承受拉力或压力，因此可以近似地认为应力在整个筒壁上沿壁厚度均匀地分布，即所谓无力矩理论。按无力矩理论计算求得的应力称为薄膜应力。通过计算可以求得，气瓶筒体的环向应力是纵向应力的2倍，所以环向是气瓶的薄弱环节，气瓶的破裂一般是沿筒体的纵向开裂，即是由于作用在筒体的环向应力达到材料的抗拉强度极限所引起的。

1.1 铝合金无缝气瓶材料选择

1.1.1 铝及铝合金性能特点

1. 轻质：铝的突出优点是它的密度小(2.7 g/cm3)，大约是钢的1/3。由于密度小而使铝和铝合金在航空、交通运输等领域得到了广泛的应用。

2. 耐蚀性：铝及铝合金表面易生成一层致密、牢固的氧化铝保护膜，防止其继续氧化。这层保护膜只有在卤素离子或碱离子的激烈作用下才会遭到破坏。因此，铝有很好的耐大气腐蚀和水腐蚀的能力。能抗多数酸及有机物腐蚀。通过合金选择、化学和电化学处理等措施可进一步提高其耐蚀性。

3. 力学性能：抗拉强度对任何金属来说都是重要的特性之一，它可以在很低到相当高的大范围内变化。工业纯铝的强度很低，塑性很高，但是可通过合金化方法使其强度提高到预定目标的水平。

4. 加工性能：由于铝本身具有软的面心立方晶体结构，所以铝和铝合金本质上易加工且可用通用变形技术加工。铝和铝合金也具有快速而又经济的机械加工性能。

1.1.2 铝合金的强化方式

如果合金的组元在固态下能彼此相互溶解，则在液态合金凝固时，组元的原子将共同地结晶成一种晶格，晶格内包含有各种组元的原子，晶格的形式与一种组元相同，这样，这些组元就形成了固溶体。晶格与固溶体相同的组元为固溶体的溶剂，其他组元为溶质。也就是说，固溶体是溶质原子溶入固态的溶剂中，并保持溶剂晶格类型而形成的相。

凡溶解度变化大的合金，加热至高温后急冷下来，均可形成过饱和固溶体，这就是固溶处理。随后在常温放置或在稍高温度下加热一定时间即可产生所谓“时效”过程而强化。

铝合金的强化是以铝与其他金属元素形成金属间化合物在固溶体中的固溶度变化为基础的。铝虽能同许多金属形成合金，但相比之下有高的固溶度和能起显著强化作用的元素却只有Cu、Zn、Mg、Si这4种。这4种主要元素与铝组成的二元(CuAl2、Mg2Si、MgZn2)和三元化合物(Al2CuMg、Al2Mg3Zn3)在铝中的固溶度能随温度的降低而强烈地减少，故可通过热处理的办法来提高强度，可称之为热处理强化型铝合金。

1.1.3 Al-Mg-Si系锻用铝合金

Al-Mg-Si系合金是在热处理强化型铝合金中唯一没有发现应力腐蚀断裂(SCC)现象的合金，有中等强度和优良的耐蚀性能，有明显的时效强化效应。

Al-Mg-Si合金可进行自然时效或人工时效，但因自然时效速度较慢，而且强化效果不如人工时效，故Al-Mg-Si合金一般在人工时效状态下使用。由于Mg2Si含量大于0.9%的Al-Mg-Si合金，存在停放效应，即淬火后在室温停放一段时间再进行人工时效处理时，将使合金的时效强化效应降低。因此，当采用人工时效工艺时，应注意热处理工序之间的协调。

1.1.4 各种化学元素对Al-Mg-Si合金性能的作用

1. Si、Mg 形成强化相Mg2Si，能显著提高合金的时效强化能力，改善合金的力学性能。固溶的Mg能提高对海水和碱溶液的腐蚀能力。

2. Cu的作用是提高合金的强度，但塑性有所降低，对耐蚀性也有不利影响。

3. Mn、Cr的作用是降低晶粒粗化倾向，提高合金的耐蚀性，但也提高强度的韧性。

4. Ti细化晶粒的作用，改善工艺塑性。

5. Fe是铝合金中不可避免的杂质元素，少量的有利于合金强度的提高，但当铁含量大于0.25%时，易形成α-Fe相，β-Fe相和FeAl3相。其中β-Fe相和FeAl3相为针状，破坏合金结构的连续性。

6. Pb和Bi为杂质元素，由于能形成低熔点共晶(或单晶)，扩大了有效结晶温度区间，凡是能扩大有效结晶温度区间的杂质，都能促使热裂纹的形成。

7. 少量的杂质Zn对合金的强度影响不大。

1.1.5 铝合金无缝气瓶瓶体材料的选择

铝合金无缝气瓶瓶体材料的选择首先考虑的是它的安全性，为防止失效破坏造成的事故，瓶体材料必须具有足够的强度，有一定的塑性、韧性，有较好的耐腐蚀能力以及较好的低温性能；由于铝合金的疲劳强度较低，因此，一定要选择抗疲劳性能较好的材料。其次要考虑它的加工性能、供货及价格情况。

根据GB 11640—2011《铝合金无缝气瓶》的要求，铝合金无缝气瓶的瓶体材料一般应选用6061铝合金，这个牌号材料属于Al-Mg-Si系锻用铝合金，具有良好的冷热加工、耐蚀、低温、疲劳等性能。

GB 11640—2011《铝合金无缝气瓶》允许瓶体采用其他具有良好的抗晶间腐蚀性能和工艺性能的铝合金材料，但应通过腐蚀试验和抗恒载荷裂纹试验。这是由于某些铝合金在动态或静态拉应力和特定腐蚀环境的联合作用下主要发生沿晶断裂，这种现象称之为应力腐蚀断裂(SCC)。

1.2 铝合金无缝气瓶的设计要求

1.2.1 铝合金无缝气瓶的壁厚设计

铝合金无缝气瓶筒体强度设计的主要任务就是确定其筒体所需的最小壁厚。

根据GB 11640—2011《铝合金无缝气瓶》的有关规定：

1. 筒体设计壁厚计算时，应采用材料热处理后规定非比例延伸强度的保证值，其值不应超过抗拉强度保证值的85%。

2. 瓶体设计壁厚的计算以水压试验压力为准，水压试验压力为公称工作压力的1.5倍。

3. 筒体的设计壁厚应不小于下面两个公式的要求，且不小于1.5 mm。

式中，Ph为水压试验压力，MPa；D0为筒体公称外径，mm；Rp0.2为规定非比例延伸强度的保证值，MPa。

上述公式是采用第三强度理论，且偏于安全。

1.2.2 铝合金无缝气瓶的端部设计

1. 底部和肩部的厚度和形状应满足水压爆破试验和疲劳试验的要求。

2. 为使应力分布均匀，筒体到肩部和筒体到底部的壁厚应逐渐增加，肩部和底部的典型结构见图1所示。

图1 肩部和底部的典型结构

3. 底部任何部位的厚度不应小于筒体的设计壁厚。

4. 内底形半径(r1)应不大于1.2倍筒体内径，内底形转角半径(r)不应小于瓶体内径的10%。

5. 底部接地点到内壁的厚度(c)不应小于2倍的筒体设计壁厚。

1.2.3 瓶口螺纹设计

锥螺纹应满足GB 8335《气瓶专用螺纹》的规定。直螺纹应贯穿口部，且满足GB/T 192《普通螺纹 基本牙型》、GB/T 196《普通螺纹 基本尺寸》和GB/T 197《普通螺纹 公差》等相关标准的规定。直螺纹长度不少于6个螺距，且在水压试验压力下的剪切应力安全系数至少为10。

瓶颈厚度应保证在承受装阀和铆合颈圈的附加外力时不产生变形。其装阀扭矩应满足GB 11640 —2011《铝合金无缝气瓶》的有关规定。

1.2.4 底座设计

如安装底座，应用适当的方法将底座固定在铝合金无缝气瓶上，底座应有足够的强度和稳定性，不应使用焊接的方法。

1.2.5 颈圈设计

如安装颈圈，应将其牢固地固定在瓶颈上，保证颈圈能承受大于10倍瓶重的轴向载荷，最低不小于1000 N，且能承受不小于100 N·m的旋转扭矩。安装颈圈不应使用焊接的方法。

2 铝合金无缝气瓶制造基本过程

铝合金无缝气瓶的制造方法大致有4种。

1. 冲拔拉伸法：是指将铝合金坯料加热冲孔后的短粗杯形件，再经拔伸收口而成的铝合金无缝气瓶，是我国铝合金无缝气瓶制造的主要形式。

2. 冷挤压：是指将铝合金坯料冷挤压成形，再经收口而成的铝合金无缝气瓶。这种加工方法工序简单，成本较低，但需要吨位较大的压力机。

3. 冲压拉伸法：是指将铝合金板深冲成长杯形件，然后将开口端进行封闭的工艺方法。这种加工方法瓶体壁厚比较均匀，但材料利用率低、工序复杂、造价较高，故采用这种工艺方法的厂家较少。

4. 旋压成形法：是指将铝合金板旋压成形制造的气瓶。对于铝合金等材料，旋压可以最大限度发挥材料塑性潜力，使变形量达到70%以上，一次装卡旋压可达到需要多次拉伸退火的效果。所以拉伸旋压也是制造铝瓶的工艺之一，并特别适合小批量的产品生产。拉伸旋压后的桶坯可以再次旋压(一般需要加温)呈小口的气瓶。这种全部通过旋压工艺加工制造的气瓶称为“全旋压气瓶”，一般精度高，瓶体壁厚均匀，质量优良，爆破压力较高(需配合合适的热处理工艺)。

在实际制造过程中，由于用户对气瓶质量的要求不同，或是企业采用的制造工艺不同，或是企业制造设备的限制，同一种铝合金无缝气瓶经常几种制造方法混合使用，因此，上述几种制造方法只是做个大致分类。

2.1 金属挤压、冲压、旋压和变薄拉伸概述

1. 挤压的基本概念：挤压是采用挤压杆(或凸模)将放在挤压筒(或凹模)内的坯料压出模孔或流入特定的孔隙而成型的塑性加工方法。

铝合金无缝气瓶的制造过程中常用的挤压方法有：反向挤压、热挤压和冷挤压。

1)反向挤压：挤压时，金属制品的流出方向与挤压杆的运动方向相反的挤压。挤压杆固定不动，挤压筒在主柱塞力的作用下向前移动，而使挤压杆逐步进入挤压进行反向挤压。

反向挤压的特点：在挤压过程中锭坯表面与挤压筒内壁之间无相对运动，不存在摩擦；变形比较均匀；挤压力比正向挤压可降低30%～40%，成品率、生产率高。缺点是制品外接圆直径受挤压杆限制，长度也受限制。

2)热挤压：金属在热态下进行的挤压。

热挤压的特点：变形抗力小，容许每次变形程度大，但表面光洁度低。

3)冷挤压是指在室温下进行的挤压，也称冲击挤压。

冷挤压的特点：第一，冷挤压时变形抗力比热挤压高得多。第二，制品性能均匀，表面光洁度高。第三，生产的成品率高。第四，在冷挤压过程中，金属主要处于三向压应力状态。故挤压后的制品内部组织致密，具有连续的纤维流向，因而提高了材料的疲劳强度。第五，由于加工硬化提高了制品的强度及硬度。第六，加工设备简单，投资少、工序简单。第七，冷挤压时为了降低挤压力、防止模具磨损和破坏、提高表面质量，必须进行润滑处理。

2. 冲压的基本概念：冲压是利用冲压设备和冲模使板料或坯料产生分离或变形的加工方法。

冲压加工的特点：冲压出的制品，具有较高的尺寸精度，但制造成本较高。

3. 变薄拉伸的基本概念及特点。

拉伸：对金属坯料施以拉力，使之通过模孔以获得与模孔截面尺寸、形状相同的制品的塑性加工方法称之为拉伸。

变薄拉伸：是指坯料在拉伸前后只是在厚度方向上发生有较大的变化，而在直径方向上则变化较小的一种冷冲压方法。

变薄拉伸的特点：第一，变薄拉伸时坯料的变形区是处于凹模孔内锥形部分周围的金属，而传力区则是已从凹模中拉出的侧壁部分和底部。第二，变薄拉伸时坯料的应力状态，主要是由凸模拉力而产生的轴向拉应力、凸模与凹模对材料产生的径向压应力，以及由于材料间的互相挤压而产生切向应力的三向应力状态。而应变状态则是在轴向产生伸长变形，而在壁厚方向上产生径向压缩变形。第三，由于材料的变形是处于三向应力状态之下，因此材料在变薄拉伸过程中，产生冷作硬化现象，致使金属晶粒变细，强度增加。第四，经变薄拉伸的工件，表面粗糙度很好，但由于拉伸过程中产生摩擦，因此要有很好的润滑及粗糙度要求很高的模具。第五，由于变形区材料是受到一向拉伸二向压缩的应力状态，所以拉伸力较小(与冷挤压相比)，故可采用吨位较小的压力机。

4. 旋压成形的概念：旋压是综合了锻造、挤压、拉伸、弯曲、环轧、横轧和滚压等工艺特点的少、无切削的先进加工工艺，广泛地应用于回转体零件的加工成形中。是根据材料的塑性特点，将毛坯装卡在芯模上并随之旋转，选用合理的旋压工艺参数，旋压工具(旋轮或其他异形件)与芯模相对连续地进给，依次对工件的极小部分施加变形压力，使毛坯受压并产生连续逐点变形而逐渐成形工件的一种先进塑性加工方法。

2.2 铝合金无缝气瓶制造的典型简要工艺

2.2.1 下料

根据铝合金无缝气瓶的容积不同，用锯床将棒料或无缝管按工艺要求切割成一定尺寸的坯料。切料时，棒料与锯床的锯条要保持一定的垂直度，以保证其两端面平行，然后车削成规定的尺寸形状并清除毛刺，下料后做材料标记移植，并按材料标记堆放管理。

将板料用剪板机按工艺要求裁成正方或八角形毛坯，在剪切过程中必须按不同的板料厚度合理地调节剪刃之间的间隙；剪切后的毛坯不得有划、碰的伤痕，倘若不慎造成创伤，应及时修磨；将剪切后的正方形或八角形毛坯按工艺要求车削成规定尺寸的圆片，然后做材料标记移植，并按材料标记堆放管理。

由于工艺过程中的损耗，铝合金无缝气瓶的重量与坯料的重量是有一定差距的，用冲拔拉伸法制造铝合金无缝气瓶时，由于拉伸时壁部要发生明显的变化，应按拉伸前后的体积对等的方法来计算坯料尺寸，其计算方法是：

V=aV1

式中，V为坯料体积；V1为气瓶的体积；a为修正系数，一般取1.15～1.2。

用冷挤压法制造铝合金无缝气瓶时，坯料尺寸是根据工件体积与坯料体积相等的原则来确定的，其计算方法是：

V=V1+V2

式中，V为坯料体积；V1为气瓶的体积；V2为修边余量的体积。修边余量的体积一般可取气瓶体积的3%～5%。

2.2.2 热反挤

热反挤前首先应进行模具的安装和调整，安装和调整模具时必须使用百分表或精度相当的其他量器；凸凹模之间的同轴度偏差应在一定范围内；模具中心与液压机中心应尽量重合，其偏移量一般不应大于5 mm；紧固凹模座(台架)时，压紧螺栓必须靠近凹模座的边缘，垫块也应靠近螺栓。必须注意的是，安装模具前应检查模具是否有缺陷，有缺陷者必须修磨完好后才能安装。其二，挤压前应预热模具，预热温度大约在200℃。其三，必须在工件和模具的接触面上均匀涂抹润滑剂进行润滑。

首先将坯料有序的摆放在加热炉中，在保证坯料均匀受热的条件下，进行加热。坯料放入凹模后，要用专用的工具将坯料对中、找正，保证整个圆周上坯料与凹模间距相等，保证挤压后壁厚差在工艺规定范围内。然后在立式水压机上进行反挤压，形成杯形件。

严格检查挤压半成品尺寸、内外表面及模具工作面，发现工件尺寸超差或内外表面划伤以及模具工作面粘铝时，应及时调整和修磨模具。

冷挤压的工序与热反挤基本相同，只是坯料不需要加热。

2.2.3 退火、清洗

退火是对坯料进行软化处理，目的是获得稳定的组织和优良的工艺塑性。对于需要多次拉伸的工件，在每一次拉伸后，将产生冷作硬化现象。由于冷作硬化，材料的塑性降低，为降低冷作硬化而恢复塑性，必须在拉伸中间采用退火工序。退火包括热反挤后的杯形件的退火和冲压拉伸法的圆板和冲压变形后杯形件的中间退火。

退火炉炉温测定用热电偶和温度仪，并自动记录退火温度。退火温度一般控制在350～370℃。

退火后应对工件进行碱洗和清洗：用NaOH水溶液洗去热处理后附着在工件表面的油污残留物或氧化物，根据碱液的浓度和温度适当调整浸洗时间，应当使工件的全部表面受到均匀的碱洗，碱洗后的工件表面呈中灰色，防止黑灰色的过碱洗和亮灰色的欠碱洗。若发现碱洗速度明显变缓，则根据实际情况及时添加或更换碱液。

将碱洗后的工件置入清水池中浸洗或清水冲洗，用棉纱或尼龙刷擦刷工件表面并用水冲洗干净，不能留有碱洗后的残存物，擦刷后的工件表面应呈铝白色。

2.2.4 变薄拉伸

变薄拉伸前首先应进行模具的安装和调整，安装和调整模具时必须使用百分表或精度相当的其他量器；凸凹模之间的同轴度偏差应在一定范围内；模具中心与液压机中心应尽量重合，其偏移量一般不应大于5 mm；紧固凹模座(台架)时，压紧螺栓必须靠近凹模座的边缘，垫块也应靠近螺栓。必须注意的是，安装模具前应检查模具是否有缺陷，有缺陷者必须修磨完好后才能安装。

其二，必须在工件和模具的接触面上均匀涂抹润滑剂进行润滑，润滑剂在拉伸工作中所起的作用，不仅是降低摩擦系数而使拉伸力降低(实践证明，与无润滑剂相比，它能降低拉伸力达30%)，从而提高材料的极限变形程度(降低极限拉伸系数)，而且还能保护模面及工件表面不受刮伤，从而提高模具寿命和工件质量。

将杯形件放入卧式水压机，按工艺要求，完成变薄拉伸过程。严格检查变薄拉伸后的工件，如发现尺寸超差或有缺陷，应及时调整和修磨模具。

2.2.5 旋收口

利用收口机完成瓶坯或管坯的旋收口。工艺过程如下：将冷检合格的瓶坯或管坯装卡在旋压收口机上，用氧—乙炔或氧—液化石油气火焰加热，加热长度按工艺要求执行(一般等于被加热的瓶坯或管坯的直径)，加热温度一般在470℃以下，但不能过低，然后收口机的旋轮对瓶坯或管坯的加热端部进行旋压成形。收口时应按工艺调整旋压速度，以保证收口后瓶体的颈肩部位的光滑，防止产生沟痕和皱褶。

2.2.6 热处理

固溶处理(或称淬火)及人工时效强化处理，目的是借助时效硬化以提高铝合金的强度性能。

在固溶处理时，为保证强化相充分固溶，加热温度应超过固溶度线。温度愈高，固溶愈快，也愈完全，时效强化效果也更显著。但不应高于固相线，否则合金将发生局部溶化，即造成过烧，这将严重降低合金的性能。另外，固溶处理加热也要注意防止晶粒过分长大。因此，铝合金的固溶处理加热温度很窄，温度控制要求很严，一般固溶处理温度应控制在515～550℃，保温时间1.5～2 h。

固溶处理介质一般用水，以保证快速冷却。固溶处理水温一般低于30℃。

固溶处理后接着进行人工时效，由于Al-Mg-Si系铝合金存在停放效应，因此，固溶处理后应尽快进行人工时效处理，其间隔时间不得超过2 h。人工时效温度一般在160～180℃，保温时间10～12 h。

瓶体在加热过程中，不得有过烧现象，过烧的瓶体必须报废。

2.2.7 酸洗、氧化处理

用硝酸或硫酸去除瓶体内外表面的残碱和其他粘污物，酸洗后用水充分浸洗并冲洗气瓶内外表面，借助伸入瓶腔中的发光小灯泡检查气瓶内表面，用肉眼察看外表面。洗净表面应呈铝白色，不应有酸或碱形成的残存物或其他异物。

酸洗后的气瓶浸入到氧化液中进行氧化处理，氧化后，用水充分浸洗并冲洗气瓶内外表面，直至达到工艺要求。

2.2.8 瓶口加工

铝合金无缝气瓶瓶口加工包括以下工序：车瓶口外径、平瓶口、车螺纹底孔、攻丝。

3 结束语

本文详述了铝合金无缝气瓶的设计原则、材料选择的要求、制造工艺方法和制造中应注意的问题，解析了铝合金无缝气瓶在设计和制造上的独特性和特殊要求，仅希望为同行提供一点借鉴和参考。

[1] TSG R 0006—2014 气瓶安全技术监察规程 [S].

[2] GB 11640—2011 铝合金无缝气瓶 [S].

[3] GB 13077—2004 铝合金无缝气瓶定期检验与评定 [S].

[4] 中国特种设备检验协会. 气瓶检验员培训教材 [Z].

Primary Discussion on Construction and Designing of Aluminum Alloy Seamless Gas Cylinders

HAO Yanping

(Shenyang Institute of Special Equipment Inspection & Research, Shenyang 110035, China)

The author conducts a detailed analysis of designing principles for wrapped composite gas cylinder, the author also gives a detailed analysis of its material choices, process and other matters needing attention. The author offers better understanding of differences in the construction and designing of aluminum alloy seamless gas cylinders.

aluminum alloy seamless gas cylinder; heat treatment； squeezing； spinning； punching； ironing

2017-02-09

TH49

A

1007-7804(2017)02-0019-06

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.02.005

郝延平(1966)，男，高级工程师，现就职于沈阳特种设备检测研究院。E-mail: haoyanpng@126.com。