铝合金无缝气瓶的设计与制造

杜玉玲

沈阳特种设备检测研究院 辽宁沈阳 110042

在1930年代，瑞典和法国开始生产铝制气瓶，但当时高昂的生产价格限制了铝铝制气瓶的发展。直到1950年代，第一家英国公司勒克斯菲尔引入了冷挤压工艺来生产铝合金容器，这大大降低了成本并大幅度提高了生产的数量。1990年代，中国开始制造铝合金气瓶，尽管生产时间短，但发展飞速。如今生产铝合金无缝气瓶的铝合金气瓶供应商数量很多，铝合金无缝气瓶已经广泛应用于电子、医药、水、化工、冶金、矿山等方面。

1 铝合金无缝气瓶的材料

铝合金铝无缝气瓶的制造原料通常是属于锻用铝合金产品Al-Mg-Si的6061铝合金，具有良好的散热、加工、良好的耐腐蚀性、低温、疲劳等特点和功能。Al-Mg-Si合金是热处理铝合金中唯一发现的拥有抗应力（SCC）合金，不易被腐蚀而损坏的材料，拥有良好的抗腐蚀性和时效性加强效应。

Al-Mg-Si合金可以进行自然时效，也可以进行人工时效，但因为自然时效速率很低，并且人工式的强化效益比自然式要强，因此，Al-Mg-Si合金通常在人工时采用。因为Mg2Si含量高于al-Mg-Si合金的0.9%，因此具有停放作用，即将它们淬火后在室温下放置几分钟然后进行人工处理时，这种作用会使合金的时效降低。对此现象的其中一种说明是，Mg在Al-Mg-Si合金中的铝中的溶解度远高于硅。在室温下，过量的硅首先分解，镁和硅的G.P.区在硅酮芯上组成。若放置时间过短，则仅仅会发生硅分离，并且溶解物质的大部分原子保留在固体和溶体中[1]。

2 铝合金无缝气瓶

2.1 铝合金无缝气瓶的概述

铝合金气瓶具有良好的低温效果、良好的保水性和良好的耐腐蚀性。它们主要用于压缩气体、高压气体的装载等，并在工业、医疗、救援、饮料制备储气库等方面得到广泛的应用。为了确保安全使用铝制气瓶，必须定期检查它们。

2.2 铝及铝合金性能特点

（1）轻巧：铝的特殊优势是密度低（2.7g/cm3），约为钢的1/3。由于低摩擦，铝和铝合金材料被广泛用于航空、运输等制造方面。

（2）耐腐蚀：很容易在铝和铝合金内部形成坚硬的铝保护膜，以防止进一步氧化。卤素或碱离子的苛刻作用会破坏该层保护膜。因此，铝具有良好的抗大气腐蚀和抗水腐蚀的能力。能够耐酸腐蚀和大多数有机物的侵害。通过选择科学合理的合金材料、化学和电镀可以再次提高其耐腐蚀性能。

（3）机械性能：拉伸强度是任何金属中最需要具备的性能之一，其变化范围很广。工业上的纯铝强度低，可塑性高，但是可以采用合金化的方法来增强力学性能，从而达到标准规定的水平。

（4）加工性能：由于铝本身具有柔软的不透明晶体结构，因此铝和铝合金易于加工，可以使用常见的变形技术进行加工。铝和铝合金也是高效、快速且经济的材料[2]。

3 铝合金无缝气瓶的热处理分析

在固化溶液期间，加热温度应超过固体熔点，以确保强化相完全溶解。温度越高，固定越快且越完整，增加强化的效果就越大。但是不应高于固相线，否则合金就会熔化不均与，导致过烧，这将大大降低合金的效率。另外，在通过加热溶液来生长结晶颗粒时，应注意避免其生长地过大。所以，铝合金溶液的热处理温度区间非常狭窄，并且温度控制要求非常严格。通常，溶液的储存温度应控制在515到550℃之间，储存温度的时间为1.5-2小时。通常在溶液介质中使用水以确保冷却的速率。净化水的温度通常应低于30℃。固溶处理后，进行人工时效，由于Al-Mg-Si系列铝合金的停放作用，溶液固化后应尽快进行人工时效处理，中间相隔的时间不能超过2小时。人工时效的温度通常为160-180℃，温度保持的时间为10-12小时。

4 铝合金无缝气瓶的设计要求

4.1 铝合金无缝气瓶的壁厚设计

铝合无缝气瓶的圆筒壁厚度设计的主要功能是确定圆筒的最小壁厚。

（1）为了计算圆柱体设计的壁厚，在对材料进行热处理后，其静态延伸强度的规定值应不超过抗拉强度标准值的85%。

（2）气瓶壁厚设计是根据液压测试压力计算得出的，该压力等于标准工作压力的1.5倍。

4.2 铝合金无缝气瓶的端部设计

（1）底部和肩部的壁厚和造型应符合液压和爆破试验系统的要求。

（2）从气瓶到肩部以及从气瓶到底部的壁厚应逐渐增加，以确保压力分布均匀。

（3）下部任何位置的壁厚应该均不得小于气瓶设计的厚度。

（4）内径半径（r1）不得大于圆柱直径的1.2倍，内径半径（r）不得小于内圆柱直径的10%。

（5）从底端接地点到内壁的壁厚（c）不得小于圆柱结构壁厚的两倍。

4.3 瓶口螺纹设计

直螺纹的长度至少为6个螺距，液压测试的压力的安全系数必须至少为10。瓶的颈壁应确保在阀和波纹管的增加的外力作用下不会变形。阀门扭矩必须符合相关规定。

4.4 底座设计

如果底座足够，则应通过科学合理的方式将底座连接到合金的铝合金气瓶上，底部必须足够坚固且稳定，并且不得使用焊接方法。

4.5 颈圈设计

如果项圈紧紧地悬挂，则应将其牢牢地固定在瓶子的瓶口上，以确保项圈能够承受的压力超过瓶子重量负荷的10倍，至少1000N，扭矩承受能力至少为100N·m。颈部不应该采用焊接方法进行固定。

5 结语

由于铝合金材料承受的温度范围较窄，还具有一定的停放效应，因此固溶体和固定热量控制要求非常高。本文详细介绍了铝制气瓶的设计原理、材料选择要求、生产方法和生产过程中要考虑的问题，并分析了铝制气瓶在设计和生产中的差异和具体标准，期待为同事提供一些信息和参考依据[3]。