汽车用高压氢气储气瓶研制与制作工艺

　　摘要：目前国内自行设计和研制的车用高压氢气瓶铝管坯还处于起步阶段。本文从环保问题入手, 简要介绍和分析了高压氢气储气瓶铝管坯的特点和市场需求发展状况, 着重阐述了高压氢气瓶用强旋6061无缝铝管的制备工艺和研制情况。

　　关键词：汽车; 氢气; 储气瓶; 铝管坯; 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;

　　随着我国汽车总量的不断增加, 尤其是城市个人拥有车辆的迅猛增长, 汽车尾气排放给城市带来的污染日益严重, 因此清洁燃料汽车得到了快速发展。以氢气为燃料的汽车, 排放污染为零, 完全满足当前汽车无污染、轻量化发展的要求。由于高压车用环保氢气制备供应方法:由纯水生产出纯度达99.9%以上、P=30MPa的氢气技术已经突破瓶颈, 所使用的氢气发动机制造技术已经成熟, 该方法为汽车提供氢气能源作为动力, 既环保, 可用资源量又大, 所以以氢气为燃料的汽车将迅猛发展。盛装氢气的压力容器从钢质气瓶发展到铝内胆纤维全缠绕的气瓶, 该类高压氢气瓶具有承压能力高、质量轻、耐腐蚀性强等优良性能, 成为当前车用储氢气瓶的首选。

　　车载铝质氢气储气瓶是用6061无缝管坯强旋减壁、收口、缠绕碳纤维、热处理、化学抛光、钝化和涂层等工序加工制作而成, 在我国目前尚处在起步阶段, 个别发达国家的铝质瓶已投入使用。前期我国已经制造了部分铝合金材料代替钢铁材料制造天然气储气瓶, 经过十来年的使用, 安全轻便。由于铝质氢气储气瓶工作时内压是天然气瓶的1.5~2倍左右, 因此管坯的技术要求更高。

　　1、汽车用高压氢气储气瓶简介

　　普通汽车加装一套改装系统即可成为氢气燃料汽车, 它是现代汽车发展的趋势, 属于无污染汽车的一种, 氢燃料与天然气、汽油等相比具有以下优点:单位质量低热值高, 约是汽油低热值的2.7倍;可燃混合气浓度范围大, 氢气易于实现稀薄燃烧;自燃温度较高, 利于提高压缩比;点火能量低, 最小可以低到0.02m J;燃烧速度快, 氢的燃烧反应按链式反应机理进行;火焰传播速度快, 是汽油的7.72倍;在发动机燃烧时抗爆性比汽油好, 可采用较高的压缩比;在空气中的扩散系数很大, 是汽油的12倍, 因此氢气比汽油更容易和空气混合形成均匀的混合气, 燃烧效率高。氢气燃料车与燃油汽车相比其特点见表1。车载氢燃料一般采用高压气瓶储存, 现阶段高压氢气储气瓶多为钢质复合材料制成, 由于其比重大, 很难推广使用, 高压铝质储气瓶将是无污染汽车的最佳选择对象。

表1 氢气燃料汽车与燃油汽车性能对比

　　1.1、铝质储气瓶

　　高压铝质储气瓶是用大规格铝合金管坯经旋压封头形成的一个封闭容器, 具有经济、安全、轻便、存贮容量大、快速填充等特点, 瓶内充满氢气压力一般在35MPa左右, 瓶耐压不小于70MPa。

　　管坯材料为6061-T1, 各项技术指标要求高:无缝、薄壁、表面光洁、热处理后性能高、偏心度小、弯曲度小、外径大、定尺长。

　　1.2、铝管坯市场需求状况

　　资料显示, 新能源汽车行业对铝制汽车部件的需求增长迅猛。据数据显示, 2016年我国生产新能源汽车51.7万辆, 同比增加52%, 汽车销量占比1.84%, 所占市场绝对比例仍较小。在政府不断出台补贴政策的情况下, 预计在2021年前新能源汽车产量将会保持大约35%的年复合增速, 2021年将达到232万辆。十年内, 以氢气为燃料的汽车占新能源汽车的比例将由现在的不到1%上升到30%, 所需铝管坯量将达到100kt以上 (2017年市场需求为5000t) 。

　　2、研制的难点及分析

　　2.1、管坯特点

　　(1) 管坯无缝。要求在大型挤压机上用空心铸锭挤压或实心铸锭穿孔挤压制造, 经理论计算挤压力在8000t以上。

　　(2) 管坯外径大, 达?260~?400mm, 壁薄, 8~20mm。

　　(3) 管坯各项技术指标要求高, 均超过国标GB 44371-2000标准 (高精度) , 见表2。

表2 氢气瓶管坯的各项指标与国标指标的比较

　　2.2、管坯研制的难点

　　(1) 管坯壁薄、内外径公差小。要求挤压筒、挤压轴、空心垫片和模孔中心不能偏移0.5mm, 拉伸矫直和锯切所产生的变形不能大于0.5mm。

　　大口径气瓶管坯只能选用80MN以上压力的卧式挤压机生产。决定管坯外径、公差、表面质量等方面的因素是模子, 决定管坯内径各方面的因素是针支承、挤压针、针尖。针支承、挤压针、针尖之间是螺纹连接, 针支承由螺纹与挤压机本体连接成一悬臂梁。大型挤压机的梁长一般5m左右, 重约4~5t, 在自重状态下, 由于螺纹配合间隙和弹性变形存在, 导致针尖与模子中心不可能重合, 经实际试测试, 针尖偏移模子中心下5~10mm。

　　由此可以看出:用卧式挤压机生产壁厚8~20mm, 而且偏差<1.5mm的气瓶管是不可能, 偏心不可避免, 必须选用立式挤压机才行。但目前国内乃致国际上挤压铝合金的立式挤压机挤压力都不大, 没有超过5000t的, 且立式行程不够。

　　管坯内径公差带在3mm内, 模子针尖尺寸难以确定, 薄壁管线尺寸收缩量与棒材、厚壁管不一样, 且以前没有薄壁管数据资料, 模子针尖尺寸给定完全是由理论推定, 没有参考数据。

　　(2) 弯曲度、椭圆难于控制。国标GB 4437.1-2000标准中只有外径小于250mm的管材检查弯曲度, 因而生产直径大于250mm的管材均不经过拉伸矫直工序, 但气瓶管坯弯曲度小于1mm/m, 必须经过拉伸矫直。拉伸芯棒, 单个重120~200kg, 手工操作, 拉伸中易产生椭圆和壁厚变形不均。

　　因钳口工作面为平面, 拉伸时管坯只有上下两条线带主要受力, 管坯出现椭圆和壁厚变形不均;在锯切、取样中管坯易变形, 出现椭圆现象。

　　(3) 表面内壁质量要求高。内壁划痕≤0.05mm, 相当于挤压纹路或划痕, 摸起来无手感。而管材材料软, 热状态下 (400℃左右) 6061合金的σb在17~25MPa间, 所以在生产中控制内壁表面划痕≤0.05mm很难, 铸锭要求冶金质量好。

　　(4) 管坯组织性能高, 必须严格控制铸锭成分, 要有最佳的挤压工艺。

　　氢气储气瓶管坯材料的化学成分要求严, 在国标范围内, 按照某公司内部6061合金特殊成分控制要求配料, 同时严格控制个别有害杂质元素Pb、Bi的含量。

　　(5) 挤压产品都存在受工具和工艺影响导致金属变形不均问题, 储气瓶管坯因表面、尺寸、组织、性能等各方面要求较高, 因而必须对现有工艺进行改进和优化。

　　3、制备工艺

　　由于该产品各项指标要求高, 生产难度大, 有待克服多种技术难题, 所以在生产中必须采取系列措施, 如:通过挤压筒中心来调整挤压针中心、减小挤压垫片与筒内套的配合公差、减短铸锭长度;挤压时先装铸锭、垫片, 待挤压轴把铸锭、垫片推到位后, 再前进穿孔针、制造专用导路、加强各工序严格软接触管理等。

　　工艺确定后, 再结合上面系列措施的执行, 氢气储气瓶用强旋6061无缝管最终研制成功, 并实现了批量生产。下面简单介绍某公司生产的?375.5mm×20mm×4000mm典型规格的部分工艺, 产品见图1。

　　(1) 工具准备:?650mm挤压筒、?360mm挤压针、?335mm针尖、?375.5mm管模;准备软接触的垫料和吊具。

　　(2) 铸锭准备:按要求进行成分配料, 熔炼铸成?630mm×1250mm棒, 均火, 机加镗孔?630mm×?370mm×1250mm, 内外表面无油污、灰尘。

　　(3) 挤压工艺参数见表3。

表3 挤压工艺参数

　　(4) 挤压要求:挤压慢速镦粗上压, 每个料检查内腔表面, 有问题及时处理。

　　(5) 拉伸:按照相关规定进行切头尾后拉伸, 拉伸率为1.8%~2.0%。

　　(6) 切头尾、取样、切定尺。

　　(7) 检验、包装。

图1 氢气瓶6061铝管坯

图1 氢气瓶6061铝管坯

　　4、研制结果

　　按照国标GB 4437.1-2000标准 (高精度) 及专用技术协议对所研制的6061无缝氢气瓶管坯进行检验, 结果如下:

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

　　(2) 低倍组织无标准和协议中不允许的缺陷, 晶粒度1级, 见图2。

图2 6061铝管坯的低倍和高倍组织

图2 6061铝管坯的低倍和高倍组织

　　(3) 管坯外径为?374.5mm~?376.2mm, 内径为?336.2mm~?337.6mm, 壁厚差为0~1.5mm, 内径公差为0.7~2.1mm。

　　(4) 内表面光洁, 无深度大于0.05mm以上的擦划痕。

　　(5) 弯曲度在1mm/m以内。

　　以上结果均达到了双方技术协议的指标要求。在首批产品发出后几个月, 后续订单陆续增加, 因此氢气瓶6061铝管坯开发已开始实现市场化。

　　5、结论

　　高压氢气瓶用强旋6061无缝铝管坯国内已研制成功, 并实现了批量生产。所采用的正是本文研制的工艺, 证明该生产工艺是正确、合理、可行的。

　　对80MN以上大型卧式压机的工模具进行适当调整和采取一定的相应措施, 生产公称直径在?260mm以上、壁厚在10~20mm、高精度、高质量的氢气储气瓶管坯是可行的。