小管嘴、大直径、大长径比的柱形铝合金内胆热处理方法技术

本发明专利技术涉及小管嘴、大直径、大长径比的柱形铝合金内胆热处理方法，针对铝合金内胆长度较大的结构特点，在淬火处理中采用垂直入水姿态，并设计了喷淋系统与水槽结合冷却方式，提高瓶体后入水端冷却速度，保证瓶体整体力学性能的均匀性及满足设计要求；此外，还针对铝合金内胆“肚大嘴小”的结构特点，设计了后入水端管嘴注水管路以及增加适度配重，提高大容积、小管嘴空心瓶体中空气的排除速度及保证淬火入水过程顺畅；最后，在瓶体后入水端封头与瓶体直线段交界处还设计了倒置锥形挡板，短时内避免喷淋水与瓶体直线段接触，降低由于喷淋水飞溅而造成瓶体直线段力学性能不均匀及变形风险。

【技术实现步骤摘要】
小管嘴、大直径、大长径比的柱形铝合金内胆热处理方法
本专利技术属于航天用复合材料气瓶制造
，具体涉及一种复合材料气瓶用小管嘴、大直径、大长径比的柱形铝合金内胆热处理方法。
技术介绍
6061铝合金为热处理强化合金，包括固溶和时效热处理过程，固溶和时效热处理制度：在535±5℃保温120min，水淬，淬火转移时间不超过60s，再在165±5℃保温10h，空冷，其中固溶处理的淬火过程是铝合金瓶体力学性能控制的关键环节。一般而言，贮箱、气瓶类压力容器的固溶热处理采用水槽直接水淬或喷淋两种方式，其中水槽淬火广泛应用于较小尺寸的半球形或柱形构件，而喷淋适用于较大尺寸结构，如日本H-2火箭直径5m量级贮箱封头壳体淬火(李宝蓉等，H-2B运载火箭贮箱制造技术与应用，航天制造技术，2008(5):35-37)。目前，国内对于两端小管嘴(外径φ60～80mm、内孔φ20～40mm)、大直径(φ300～400mm)、大长径比(＞2)、空心、柱形、无焊缝整体气瓶的固溶热处理一般简单地采用直接水槽淬火(中国专利，CN201010295347.5；LD31合金高压瓶衬旋压成形工艺的试验研究，第八届全国旋压技术交流会，1999)，淬火时整瓶垂直入水，但由于瓶体容积大、长度大，瓶体淬火时上、下两端冷却速度存在明显差异；此外，由于瓶体两端管嘴较小，瓶体中的空气排出过程较慢，浮力影响瓶体入水速度，导致后入水端瓶体的冷却速度低；另外，空心瓶体淬火时入水速度的差异也影响冷却效果，过快则瓶体内空气不易排出，瓶体内形成一定程度的“中空”状态，易导致瓶体上浮、瓶体内部冷却速度降低或不均匀等，而过慢则瓶体后入水端冷却速度不足。一般来说，后入水管嘴、封头和附近直线段部位的力学性能偏低，易导致复合材料瓶体在水压自紧、疲劳或爆破试验时管嘴R角处发生泄漏而不能满足设计要求。因此，提高“肚大嘴小”瓶体在淬火过程中后入水端管嘴、封头和附近直线段的冷却速度，使6061铝合金的力学性能满足设计要求至关重要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述问题，提供小管嘴、大直径、大长径比的柱形铝合金内胆热处理方法，采用喷淋和水淬结合的热处理方式，使得铝合金内胆两端管嘴、封头和直线段的力学性能均能满足设计要求。本专利技术的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：小管嘴、大直径、大长径比的柱形铝合金内胆热处理方法，步骤如下：步骤(一)、将两端有小管嘴的柱形铝合金内胆垂直固定安装在热处理工装上，所述热处理工装包括柱形外框架、内胆上端固定装置、内胆下端托架、配重块和框架挡板；其中，在柱形外框架靠近下端位置固定内胆下端托架，并在内胆下端托架下方框架底部放置配重块，铝合金内胆垂直放置在内胆下端托架上，铝合金内胆直筒段上端由固定装置垂直固定在柱形外料框靠近上端位置，框架挡板沿柱形框架周向包裹，并固定于柱形外框架顶部；步骤(二)、将垂直安装在热处理工装上的铝合金内胆放入热处理炉中进行固溶处理，处理完毕后，将热处理工装和柱形铝合金内胆吊出并转移至淬火处理用水槽上方，在转移过程中，将喷淋装置移至柱形外框架上端固定位置，当热处理工装下降至内胆与水接触时，开启水槽上方的喷淋装置，并迅速将热处理工装及内胆沉入水中；步骤(三)、淬火完毕后，将热处理工装和铝合金内胆一同放入热处理炉中进行时效处理，处理完毕后，将铝合金内胆从热处理工装上拆卸。所述热处理工装的柱形外框架顶部中心位置设置定位圆环，圆环高度小于铝合金内胆管嘴高度，直径与内胆上端管嘴直径匹配。所述热处理工装的内胆上端固定装置包括倒置锥形挡板、固定杆、纯铝薄垫层；其中，倒置锥形挡板下缘为10～15mm高的圆柱形延伸段，沿内胆直线段方向贴合，且其周长与内胆直线段上缘相匹配，并由卡箍固定于内胆直线段上缘，倒置锥形挡板延伸段内侧铺设纯铝薄垫层，倒置锥形挡板外侧对称焊接两根固定杆，固定杆自由端固定在柱形外框架边缘上，倒置锥形挡板上缘圆周小于框架内圆，且低于框架上端面。所述热处理工装的内胆下端托架包括一个定位圆环和两根固定杆；定位圆环作为内胆下端托架的中心，定位圆环直径小于柱形内胆直径、大于内胆管嘴直径，顶外圆环外侧用固定杆焊接在框架边缘上。所述喷淋装置包括内胆上端管嘴与封头的冷却喷淋管路和上端管嘴内孔注水管路；其中，内胆上端管嘴与封头的冷却喷淋管路一端与水泵连接、另一端装有弯角多孔喷头，上端管嘴内孔注水管路一端也与水泵连接，另一端装有直角圆管喷头，上端管嘴内孔注水管路圆管直径小于框架顶部中心位置定位圆环直径。本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：(1)、本专利技术针对大容积、大长度6061铝合金内胆的结构特点，水淬时采用沿内胆长度方向垂直入水，同时为解决大尺度内胆后入水端即上端冷却速度不足的问题，在上端增加了喷淋系统，使得内胆瓶体上、下两端管嘴同时与水接触，提高了后入水端的冷却速度，使得上、下两端管嘴及附近直线段力学性能满足铝合金材料的设计要求，保证瓶体整体力学性能的均匀性；(2)、本专利技术针对大容积、小管嘴铝合金内胆“肚大嘴小”的结构特点，为避免内胆瓶体内部空气排出速度慢，其浮力造成瓶体入水速度慢而带来的后入水端冷却速度慢的问题，在喷淋系统中增加了针对上端管嘴内孔的注水管路，提高了瓶体中空气的排除速度，同时增加适度配重，保证淬火入水过程顺畅的同时提高了入水速度，进一步保证内胆瓶体的淬火效果；(3)、本专利技术还针对喷淋系统带来了水流飞溅而造成瓶体直线段冷却不均匀和变形，在瓶体上端封头与瓶体直线段交界处增加了倒置锥形挡板，短时内避免喷淋水与瓶体直线段接触，降低由于喷淋水飞溅而造成瓶体直线段力学性能降低及变形风险；(4)、本专利技术小管嘴、大直径、大长径比的柱形铝合金内胆热处理方法工艺简单，易于实现，具有较强的实用性。附图说明图1为本专利技术热处理工装及喷淋系统结构示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细的描述：为降低大长度柱形铝合金内胆直线段淬火时的变形风险，本专利技术采用沿长度方向垂直入水淬火的方式，将气瓶内胆放置在如图1所示的热处理工装中。由图1可知热处理工装包括柱形外框架1、内胆上端固定装置2、内胆下端托架3、配重块4和框架挡板5。其中，框架1为柱形结构，上、下两个圆形端面用4～6根垂直的梁焊接。框架1底端圆面焊接多根交叉梁，用于放置可装卸的配重块4，其作用是减低空心瓶体浮力较大而引起的上浮，提高大容积空心瓶体淬火入水速度，并保证淬火入水过程顺畅。在框架1靠近下端位置焊接固定内胆下端托架3，内胆下端托架3中心为定位圆环，圆环直径小于柱形内胆6直径、大于内胆管嘴直径，铝合金内胆6垂直放置在托架3上。在框架1靠近上端位置还设置了可装卸的内胆上端固定装置2，固定装置2两端用铁丝固定在框架1边缘的垂直梁上，其作用是用于垂直固定内胆6以及防止内胆6在水淬过程中发生倾斜或上浮。为提高内胆6上端管嘴及封头的冷却速度，本专利技术在淬火过程中采用了上面喷淋和下面水槽淬火结合的方式进行淬火处理。当固溶处理完毕后，用吊车迅速将热处理工装和柱形铝合金内胆6吊出并转移至淬火处理用水槽上方，在转移过程中，手动迅速将喷淋装置7移至框架1上端固定位置8并固定，当热处理工装下降至内胆6与水接触时，开启水槽上方的喷淋装置7，并迅速将热处理工装及内胆6沉入水中。其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
小管嘴、大直径、大长径比的柱形铝合金内胆热处理方法，其特征在于：步骤(一)、将两端有小管嘴的柱形铝合金内胆垂直固定安装在热处理工装上，所述热处理工装包括柱形外框架(1)、内胆上端固定装置(2)、内胆下端托架(3)、配重块(4)和框架挡板(5)；其中，在柱形外框架(1)靠近下端位置固定内胆下端托架(3)，并在内胆下端托架(3)下方框架底部放置配重块(4)，铝合金内胆(6)垂直放置在内胆下端托架(3)上，铝合金内胆(6)直筒段上端由固定装置(2)垂直固定在柱形外料框(1)靠近上端位置，框架挡板(5)沿柱形框架周向包裹，并固定于柱形外框架(1)顶部；步骤(二)、将垂直安装在热处理工装上的铝合金内胆(6)放入热处理炉中进行固溶处理，处理完毕后，将热处理工装和柱形铝合金内胆(6)吊出并转移至淬火处理用水槽上方，在转移过程中，将喷淋装置(7)移至柱形外框架(1)上端固定位置(8)，当热处理工装下降至内胆(6)与水接触时，开启水槽上方的喷淋装置(7)，并迅速将热处理工装及内胆(6)沉入水中；步骤(三)、淬火完毕后，将热处理工装和铝合金内胆(6)一同放入热处理炉中进行时效处理，处理完毕后，将铝合金内胆(6)从热处理工装上拆卸。...

【技术特征摘要】
1.小管嘴、大直径、大长径比的柱形铝合金内胆热处理方法，其特征在于：步骤(一)、将两端有小管嘴的柱形铝合金内胆垂直固定安装在热处理工装上，所述热处理工装包括柱形外框架(1)、内胆上端固定装置(2)、内胆下端托架(3)、配重块(4)和框架挡板(5)；其中，在柱形外框架(1)靠近下端位置固定内胆下端托架(3)，并在内胆下端托架(3)下方框架底部放置配重块(4)，铝合金内胆(6)垂直放置在内胆下端托架(3)上，铝合金内胆(6)直筒段上端由固定装置(2)垂直固定在柱形外框架(1)靠近上端位置，框架挡板(5)沿柱形外框架周向包裹，并固定于柱形外框架(1)顶部；步骤(二)、将垂直安装在热处理工装上的铝合金内胆(6)放入热处理炉中进行固溶处理，处理完毕后，将热处理工装和柱形铝合金内胆(6)吊出并转移至淬火处理用水槽上方，在转移过程中，将喷淋装置(7)移至柱形外框架(1)上端固定位置(8)，当热处理工装下降至内胆(6)与水接触时，开启水槽上方的喷淋装置(7)，并迅速将热处理工装及内胆(6)沉入水中；步骤(三)、淬火完毕后，将热处理工装和铝合金内胆(6)一同放入热处理炉中进行时效处理，处理完毕后，将铝合金内胆(6)从热处理工装上拆卸。2.根据权利要求1所述的小管嘴、大直径、大长径比的柱形铝合金内胆热处理方法，其特征在于：所述热处理工装的柱形外框架(1)顶部中心位置设置定位圆环，圆环高度小于铝合金内胆(6)管嘴高度，直径与内胆上端管嘴直径匹配。3.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵磊，阴中炜，韩冬峰，张绪虎，丁俊峰，
申请(专利权)人：航天材料及工艺研究所，中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11