小管嘴、大直径、大长径比的柱形铝合金内胆热处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于航天用复合材料气瓶制造技术领域，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。
【背景技术】
[0002] 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°C保温120min，水淬，淬火转移时间不超过60s，再在165±5°C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60~80mm、内孔20~40mm)、大 直径（巾300~400mm)、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。
【发明内容】
[0003] 本发明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。
[0004] 本发明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：
[0005] 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；
[0006] 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；
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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10~15_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。
[0010] 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。
[0011] 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栗连接、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栗连接，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。
[0012] 本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
[0013] (1)、本发明针对大容积、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；
[0014] (2)、本发明针对大容积、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；
[0015] (3)、本发明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；
[0016] (4)、本发明小管嘴、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】
[0017] 图1为本发明热处理工装及喷淋系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
[0019] 为降低大长度柱形铝合金内胆直线段淬火时的变形风险，本发明采用沿长度方向 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。
[0020] 为提高内胆6上端管嘴及封头的冷却速度，本发明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，喷淋装置7包括内胆 上端管嘴与封头的冷却喷淋管路12和上端管嘴内孔注水管路13,设置内胆上端管嘴与封 头的冷却喷淋管路12的目的在于提高内胆6上端管嘴及封头的冷却速度，而上端管嘴内孔 注水管路13的目的是进一步加快空心内胆6中的空气排出速度，保证入水顺畅。如图1所 示，内胆上端管嘴与封头的冷却喷淋管路12有两根，一端与水栗连