摘要：目前國內自行設計和研制的車(chē)用高壓氫氣瓶鋁管坯還處于起步階段。本文從環(huán)保問(wèn)題入手, 簡(jiǎn)要介紹和分析了高壓氫氣儲氣瓶鋁管坯的特點(diǎn)和市場(chǎng)需求發(fā)展狀況, 著(zhù)重闡述了高壓氫氣瓶用強旋6061無(wú)縫鋁管的制備工藝和研制情況。

　　關(guān)鍵詞：汽車(chē); 氫氣; 儲氣瓶; 鋁管坯; 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;

　　隨著(zhù)我國汽車(chē)總量的不斷增加, 尤其是城市個(gè)人擁有車(chē)輛的迅猛增長(cháng), 汽車(chē)尾氣排放給城市帶來(lái)的污染日益嚴重, 因此清潔燃料汽車(chē)得到了快速發(fā)展。以氫氣為燃料的汽車(chē), 排放污染為零, 完全滿(mǎn)足當前汽車(chē)無(wú)污染、輕量化發(fā)展的要求。由于高壓車(chē)用環(huán)保氫氣制備供應方法:由純水生產(chǎn)出純度達99.9%以上、P=30MPa的氫氣技術(shù)已經(jīng)突破瓶頸, 所使用的氫氣發(fā)動(dòng)機制造技術(shù)已經(jīng)成熟, 該方法為汽車(chē)提供氫氣能源作為動(dòng)力, 既環(huán)保, 可用資源量又大, 所以以氫氣為燃料的汽車(chē)將迅猛發(fā)展。盛裝氫氣的壓力容器從鋼質(zhì)氣瓶發(fā)展到鋁內膽纖維全纏繞的氣瓶, 該類(lèi)高壓氫氣瓶具有承壓能力高、質(zhì)量輕、耐腐蝕性強等優(yōu)良性能, 成為當前車(chē)用儲氫氣瓶的首選。

　　車(chē)載鋁質(zhì)氫氣儲氣瓶是用6061無(wú)縫管坯強旋減壁、收口、纏繞碳纖維、熱處理、化學(xué)拋光、鈍化和涂層等工序加工制作而成, 在我國目前尚處在起步階段, 個(gè)別發(fā)達國家的鋁質(zhì)瓶已投入使用。前期我國已經(jīng)制造了部分鋁合金材料代替鋼鐵材料制造天然氣儲氣瓶, 經(jīng)過(guò)十來(lái)年的使用, 安全輕便。由于鋁質(zhì)氫氣儲氣瓶工作時(shí)內壓是天然氣瓶的1.5~2倍左右, 因此管坯的技術(shù)要求更高。

　　1、汽車(chē)用高壓氫氣儲氣瓶簡(jiǎn)介

　　普通汽車(chē)加裝一套改裝系統即可成為氫氣燃料汽車(chē), 它是現代汽車(chē)發(fā)展的趨勢, 屬于無(wú)污染汽車(chē)的一種, 氫燃料與天然氣、汽油等相比具有以下優(yōu)點(diǎn):單位質(zhì)量低熱值高, 約是汽油低熱值的2.7倍;可燃混合氣濃度范圍大, 氫氣易于實(shí)現稀薄燃燒;自燃溫度較高, 利于提高壓縮比;點(diǎn)火能量低, 最小可以低到0.02m J;燃燒速度快, 氫的燃燒反應按鏈式反應機理進(jìn)行;火焰傳播速度快, 是汽油的7.72倍;在發(fā)動(dòng)機燃燒時(shí)抗爆性比汽油好, 可采用較高的壓縮比;在空氣中的擴散系數很大, 是汽油的12倍, 因此氫氣比汽油更容易和空氣混合形成均勻的混合氣, 燃燒效率高。氫氣燃料車(chē)與燃油汽車(chē)相比其特點(diǎn)見(jiàn)表1。車(chē)載氫燃料一般采用高壓氣瓶?jì)Υ? 現階段高壓氫氣儲氣瓶多為鋼質(zhì)復合材料制成, 由于其比重大, 很難推廣使用, 高壓鋁質(zhì)儲氣瓶將是無(wú)污染汽車(chē)的最佳選擇對象。

表1 氫氣燃料汽車(chē)與燃油汽車(chē)性能對比

　　1.1、鋁質(zhì)儲氣瓶

　　高壓鋁質(zhì)儲氣瓶是用大規格鋁合金管坯經(jīng)旋壓封頭形成的一個(gè)封閉容器, 具有經(jīng)濟、安全、輕便、存貯容量大、快速填充等特點(diǎn), 瓶?jì)瘸錆M(mǎn)氫氣壓力一般在35MPa左右, 瓶耐壓不小于70MPa。

　　管坯材料為6061-T1, 各項技術(shù)指標要求高:無(wú)縫、薄壁、表面光潔、熱處理后性能高、偏心度小、彎曲度小、外徑大、定尺長(cháng)。

　　1.2、鋁管坯市場(chǎng)需求狀況

　　資料顯示, 新能源汽車(chē)行業(yè)對鋁制汽車(chē)部件的需求增長(cháng)迅猛。據數據顯示, 2016年我國生產(chǎn)新能源汽車(chē)51.7萬(wàn)輛, 同比增加52%, 汽車(chē)銷(xiāo)量占比1.84%, 所占市場(chǎng)絕對比例仍較小。在政府不斷出臺補貼政策的情況下, 預計在2021年前新能源汽車(chē)產(chǎn)量將會(huì )保持大約35%的年復合增速, 2021年將達到232萬(wàn)輛。十年內, 以氫氣為燃料的汽車(chē)占新能源汽車(chē)的比例將由現在的不到1%上升到30%, 所需鋁管坯量將達到100kt以上 (2017年市場(chǎng)需求為5000t) 。

　　2、研制的難點(diǎn)及分析

　　2.1、管坯特點(diǎn)

　　(1) 管坯無(wú)縫。要求在大型擠壓機上用空心鑄錠擠壓或實(shí)心鑄錠穿孔擠壓制造, 經(jīng)理論計算擠壓力在8000t以上。

　　(2) 管坯外徑大, 達?260~?400mm, 壁薄, 8~20mm。

　　(3) 管坯各項技術(shù)指標要求高, 均超過(guò)國標GB 44371-2000標準 (高精度) , 見(jiàn)表2。

表2 氫氣瓶管坯的各項指標與國標指標的比較

　　2.2、管坯研制的難點(diǎn)

　　(1) 管坯壁薄、內外徑公差小。要求擠壓筒、擠壓軸、空心墊片和模孔中心不能偏移0.5mm, 拉伸矯直和鋸切所產(chǎn)生的變形不能大于0.5mm。

　　大口徑氣瓶管坯只能選用80MN以上壓力的臥式擠壓機生產(chǎn)。決定管坯外徑、公差、表面質(zhì)量等方面的因素是模子, 決定管坯內徑各方面的因素是針支承、擠壓針、針尖。針支承、擠壓針、針尖之間是螺紋連接, 針支承由螺紋與擠壓機本體連接成一懸臂梁。大型擠壓機的梁長(cháng)一般5m左右, 重約4~5t, 在自重狀態(tài)下, 由于螺紋配合間隙和彈性變形存在, 導致針尖與模子中心不可能重合, 經(jīng)實(shí)際試測試, 針尖偏移模子中心下5~10mm。

　　由此可以看出:用臥式擠壓機生產(chǎn)壁厚8~20mm, 而且偏差<1.5mm的氣瓶管是不可能, 偏心不可避免, 必須選用立式擠壓機才行。但目前國內乃致國際上擠壓鋁合金的立式擠壓機擠壓力都不大, 沒(méi)有超過(guò)5000t的, 且立式行程不夠。

　　管坯內徑公差帶在3mm內, 模子針尖尺寸難以確定, 薄壁管線(xiàn)尺寸收縮量與棒材、厚壁管不一樣, 且以前沒(méi)有薄壁管數據資料, 模子針尖尺寸給定完全是由理論推定, 沒(méi)有參考數據。

　　(2) 彎曲度、橢圓難于控制。國標GB 4437.1-2000標準中只有外徑小于250mm的管材檢查彎曲度, 因而生產(chǎn)直徑大于250mm的管材均不經(jīng)過(guò)拉伸矯直工序, 但氣瓶管坯彎曲度小于1mm/m, 必須經(jīng)過(guò)拉伸矯直。拉伸芯棒, 單個(gè)重120~200kg, 手工操作, 拉伸中易產(chǎn)生橢圓和壁厚變形不均。

　　因鉗口工作面為平面, 拉伸時(shí)管坯只有上下兩條線(xiàn)帶主要受力, 管坯出現橢圓和壁厚變形不均;在鋸切、取樣中管坯易變形, 出現橢圓現象。

　　(3) 表面內壁質(zhì)量要求高。內壁劃痕≤0.05mm, 相當于擠壓紋路或劃痕, 摸起來(lái)無(wú)手感。而管材材料軟, 熱狀態(tài)下 (400℃左右) 6061合金的σb在17~25MPa間, 所以在生產(chǎn)中控制內壁表面劃痕≤0.05mm很難, 鑄錠要求冶金質(zhì)量好。

　　(4) 管坯組織性能高, 必須嚴格控制鑄錠成分, 要有最佳的擠壓工藝。

　　氫氣儲氣瓶管坯材料的化學(xué)成分要求嚴, 在國標范圍內, 按照某公司內部6061合金特殊成分控制要求配料, 同時(shí)嚴格控制個(gè)別有害雜質(zhì)元素Pb、Bi的含量。

　　(5) 擠壓產(chǎn)品都存在受工具和工藝影響導致金屬變形不均問(wèn)題, 儲氣瓶管坯因表面、尺寸、組織、性能等各方面要求較高, 因而必須對現有工藝進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

　　3、制備工藝

　　由于該產(chǎn)品各項指標要求高, 生產(chǎn)難度大, 有待克服多種技術(shù)難題, 所以在生產(chǎn)中必須采取系列措施, 如:通過(guò)擠壓筒中心來(lái)調整擠壓針中心、減小擠壓墊片與筒內套的配合公差、減短鑄錠長(cháng)度;擠壓時(shí)先裝鑄錠、墊片, 待擠壓軸把鑄錠、墊片推到位后, 再前進(jìn)穿孔針、制造專(zhuān)用導路、加強各工序嚴格軟接觸管理等。

　　工藝確定后, 再結合上面系列措施的執行, 氫氣儲氣瓶用強旋6061無(wú)縫管最終研制成功, 并實(shí)現了批量生產(chǎn)。下面簡(jiǎn)單介紹某公司生產(chǎn)的?375.5mm×20mm×4000mm典型規格的部分工藝, 產(chǎn)品見(jiàn)圖1。

　　(1) 工具準備:?650mm擠壓筒、?360mm擠壓針、?335mm針尖、?375.5mm管模;準備軟接觸的墊料和吊具。

　　(2) 鑄錠準備:按要求進(jìn)行成分配料, 熔煉鑄成?630mm×1250mm棒, 均火, 機加鏜孔?630mm×?370mm×1250mm, 內外表面無(wú)油污、灰塵。

　　(3) 擠壓工藝參數見(jiàn)表3。

表3 擠壓工藝參數

　　(4) 擠壓要求:擠壓慢速鐓粗上壓, 每個(gè)料檢查內腔表面, 有問(wèn)題及時(shí)處理。

　　(5) 拉伸:按照相關(guān)規定進(jìn)行切頭尾后拉伸, 拉伸率為1.8%~2.0%。

　　(6) 切頭尾、取樣、切定尺。

　　(7) 檢驗、包裝。

圖1 氫氣瓶6061鋁管坯

圖1 氫氣瓶6061鋁管坯

　　4、研制結果

　　按照國標GB 4437.1-2000標準 (高精度) 及專(zhuān)用技術(shù)協(xié)議對所研制的6061無(wú)縫氫氣瓶管坯進(jìn)行檢驗, 結果如下:

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

　　(2) 低倍組織無(wú)標準和協(xié)議中不允許的缺陷, 晶粒度1級, 見(jiàn)圖2。

圖2 6061鋁管坯的低倍和高倍組織

圖2 6061鋁管坯的低倍和高倍組織

　　(3) 管坯外徑為?374.5mm~?376.2mm, 內徑為?336.2mm~?337.6mm, 壁厚差為0~1.5mm, 內徑公差為0.7~2.1mm。

　　(4) 內表面光潔, 無(wú)深度大于0.05mm以上的擦劃痕。

　　(5) 彎曲度在1mm/m以?xún)取?/span>

　　以上結果均達到了雙方技術(shù)協(xié)議的指標要求。在首批產(chǎn)品發(fā)出后幾個(gè)月, 后續訂單陸續增加, 因此氫氣瓶6061鋁管坯開(kāi)發(fā)已開(kāi)始實(shí)現市場(chǎng)化。

　　5、結論

　　高壓氫氣瓶用強旋6061無(wú)縫鋁管坯國內已研制成功, 并實(shí)現了批量生產(chǎn)。所采用的正是本文研制的工藝, 證明該生產(chǎn)工藝是正確、合理、可行的。

　　對80MN以上大型臥式壓機的工模具進(jìn)行適當調整和采取一定的相應措施, 生產(chǎn)公稱(chēng)直徑在?260mm以上、壁厚在10~20mm、高精度、高質(zhì)量的氫氣儲氣瓶管坯是可行的。