探討高壓無縫氣瓶熱處理模擬仿真技術(shù)

殷勝男 林曉雪

摘要：在社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)中，高壓氣瓶的應(yīng)用在建筑、制造等行業(yè)都引起了關(guān)注，因此現(xiàn)在對(duì)高壓無縫氣瓶的制造和處理技術(shù)提出了更高的要求。本文主要結(jié)合高壓無縫氣瓶熱處理工藝、模擬仿真技術(shù)等進(jìn)行探究。

關(guān)鍵詞：高壓無縫氣瓶;熱處理;模擬仿真技術(shù)

高壓無縫氣瓶，是一種瓶體直徑較寬，在實(shí)際使用過程中用來儲(chǔ)存壓縮氣體[1]。瓶體兩端收口采用熱旋壓方式，為了使高壓無縫氣瓶達(dá)到相應(yīng)的力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)經(jīng)過旋壓處理的瓶體進(jìn)行熱處理工藝。為了驗(yàn)證熱處理技術(shù)對(duì)高壓無縫氣瓶的影響，以及在進(jìn)行熱處理后的瓶體鐵素體的變化，就必須要對(duì)高壓無縫氣瓶的熱處理進(jìn)行研究。

1高壓無縫氣瓶熱處理工藝

高壓無縫氣瓶熱技術(shù)的效果和質(zhì)量，影響著氣瓶的使用壽命[2]。對(duì)于氣瓶鋁合金內(nèi)膽的固溶化熱處理，是要把內(nèi)膽進(jìn)行加熱至一定的溫度后，在單向區(qū)域內(nèi)保持溫度的穩(wěn)定，促使中間相進(jìn)行完美溶解后，到固溶體中后溫度快速下降，消除軟化，得到所需的固溶體。熱處理的目的是為了鋁合金的抗變形能力和斷裂過程中吸收能量的能力得到改善，也為之后的沉淀硬化處理打下基礎(chǔ)。固溶熱處理與鋼的淬火方式比較接近，不同的是，淬火的目的是要得到體心正方結(jié)構(gòu)的馬氏體，以此來加強(qiáng)機(jī)械加工對(duì)象的質(zhì)量，通常都是與回火一起進(jìn)行，而固溶熱處理是為了減少沉淀現(xiàn)象[3]。對(duì)氣瓶實(shí)施一種有效的熱處理技術(shù)，可以使氣瓶的材料獲得更好的性能，對(duì)氣瓶的實(shí)際生產(chǎn)有很好幫助，降低次品的產(chǎn)生率。

2模擬仿真技術(shù)

對(duì)于氣瓶熱處理模擬仿真技術(shù)，可以利用計(jì)算機(jī)來對(duì)相關(guān)研究數(shù)值進(jìn)行模擬，來對(duì)最為關(guān)鍵的淬火過程進(jìn)行分析。使用Simufact 軟件，對(duì)制作材質(zhì)為 4130X 鋼的高壓無縫氣瓶的淬火過程進(jìn)行模擬，分析如下：

2.1模擬仿真方法

（1）建立模型。使用Solid Edge設(shè)計(jì)出氣瓶的仿真模型，構(gòu)建出氣瓶瓶體和兩端的密封裝置，采用三角形網(wǎng)格來對(duì)其進(jìn)行描述，瓶體的外圈寬度在66cm，高84cm，厚度為2cm，在整個(gè)模擬過程中，瓶體兩端的密封裝置都保持封閉狀態(tài)[4]。

（1）瓶體使用材料。主要是使用 4130X 鋼，詳情見下表。

（2）在軟件模擬構(gòu)建中，一般可以將模型分為機(jī)械加工對(duì)象、模子工具這兩種類型。高壓無縫氣瓶屬于機(jī)械加工對(duì)象，其他的屬于模子工具，瓶體需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在劃分過程中要求計(jì)算的結(jié)果快速而準(zhǔn)確，所以通常利用四面體單元來操作，單元大小為0.408cm，一共為102830個(gè)單元，瓶體兩端的密封裝置也采用同樣的方法劃分，單元大小為0.638cm，一共為8094個(gè)單元[5]。

（3）接觸標(biāo)準(zhǔn)。高壓無縫氣瓶的模型接觸，就是指瓶體兩端與密封裝置的銜接位置，兩者之間要為零縫隙緊密結(jié)合，在氣瓶銜接處的相差距離為10mm，粘合面全部的摩擦數(shù)值為0.4[6]。

（4）高壓無縫氣瓶熱處理的參考數(shù)值。在瓶體開始淬火的時(shí)候，將溫度調(diào)為890攝氏度，處理時(shí)間為30min，在進(jìn)行氣瓶保溫期間的溫度在890攝氏度不變，持續(xù)110min，在淬火出爐階段，要求環(huán)境空氣的溫度在20攝氏度，時(shí)間為50s，在淬火進(jìn)行冷卻時(shí)，要求介質(zhì)的溫度也要在20攝氏度，時(shí)間為15min。所有的參考數(shù)值均是根據(jù)相關(guān)實(shí)際的氣瓶熱處理數(shù)值設(shè)計(jì)的，而淬火在冷卻過程中的數(shù)值并無實(shí)際的參照，所以取水的70%作為參考數(shù)據(jù)[7]。

2.2模擬仿真結(jié)果

（1）淬火加熱結(jié)果。在氣瓶的模擬仿真加熱過程中，觀察了氣瓶各個(gè)點(diǎn)的溫度變化、氣瓶對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)應(yīng)力狀態(tài)以及相的轉(zhuǎn)變等方面情況，并將氣瓶的瓶體進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)研究，觀察其在熱處理模擬過程中的數(shù)值變化發(fā)現(xiàn)：在氣瓶溫度上升時(shí)，瓶體的等效應(yīng)力先會(huì)增加，然后又會(huì)降下來，說明氣瓶的相變和會(huì)一定的等效應(yīng)力相抵消;氣瓶?jī)啥说拿芊庋b置的加熱過程等效應(yīng)力最高，在258.31MPa左右，中間瓶體的等效應(yīng)力最低，在0MPa左右;整個(gè)氣瓶的奧氏體體積分?jǐn)?shù)最大為258.34%，最小在0.00%。當(dāng)高壓無縫氣瓶的溫度變高時(shí)，瓶體的制作材料會(huì)變膨脹，所以導(dǎo)致瓶體的直徑增大，在氣瓶的溫度滿足淬火條件時(shí)，氣瓶的直徑增加到最大值。同時(shí)，氣瓶在正常的室內(nèi)溫度條件下進(jìn)行加熱，瓶體會(huì)受到熱應(yīng)力的影響，從而使等效應(yīng)力不停的上升。氣瓶的材料會(huì)隨溫度增加，而導(dǎo)致氣瓶的等軸狀多邊形晶粒變化，當(dāng)瓶體材料徹底轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎浇Y(jié)構(gòu)的奧氏體時(shí)，氣瓶的內(nèi)部等效應(yīng)力變化最小且為最低值[8]。

（2）淬火冷卻結(jié)果。將加熱結(jié)束的氣瓶相關(guān)數(shù)值進(jìn)行冷卻過程模擬，觀察在冷卻過程中，氣瓶各個(gè)點(diǎn)的溫度變化、氣瓶對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)應(yīng)力狀態(tài)以及相的轉(zhuǎn)變等方面情況，并將氣瓶的瓶體進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)研究，判斷此過程中對(duì)氣瓶不同的部位影響，結(jié)果是：在氣瓶剛剛出爐的時(shí)候，由于與室內(nèi)的空氣相接觸，溫度下降的速度是最快的;氣瓶?jī)啥说拿芊庋b置在冷卻過程中等效應(yīng)力最高，在1588.79MPa左右，中間瓶體的等效應(yīng)力最低，在8.44MPa左右;整個(gè)氣瓶的位移最大為11.75mm，最小在0.00mm。隨著氣瓶淬火冷卻溫度的下降，瓶體就會(huì)產(chǎn)生等效應(yīng)力，發(fā)生體心正方結(jié)構(gòu)的馬氏體變化，最終導(dǎo)致其相變過程不存在原子或離子的擴(kuò)散，在這之后的瓶體結(jié)構(gòu)也會(huì)隨之改變，致使等效應(yīng)力迅速增長(zhǎng)，等到最后淬火冷卻的溫度和室內(nèi)溫度一致時(shí)，其等效應(yīng)力實(shí)現(xiàn)最大。由于氣瓶溫度的下降，瓶體發(fā)生冷縮現(xiàn)象，造成直徑變小，當(dāng)氣瓶的溫度與室溫相同時(shí)縮到最小值[9]。

2.3模擬仿真驗(yàn)證

高壓無縫氣瓶淬火冷卻模擬仿真之后，其瓶體心部的鐵素體為12.27%，氣瓶實(shí)際的回火熱處理的鐵素體為10%左右，兩者之間的鐵素體改變不明顯，證明此次模擬仿真的研究結(jié)果是具有實(shí)際生產(chǎn)意義的。

3結(jié)語

我國(guó)目前對(duì)高壓無縫氣瓶的需求量比較大，對(duì)其質(zhì)量要求比較高。本文通過對(duì)高壓無縫氣瓶熱處理模擬仿真技術(shù)的研究證明：高壓無縫氣瓶的淬火模擬仿真結(jié)果和實(shí)際的熱處理結(jié)果差異不明顯，可以在實(shí)際的生產(chǎn)中進(jìn)行應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張永峰，邵飛，武春學(xué).高壓無縫氣瓶熱處理模擬仿真技術(shù)研究[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2020，35（1）：52-57.

[2]黃召昌，潘劉良，張全林， 等.高壓無縫氣瓶調(diào)質(zhì)熱處理工藝研究[J].湖北農(nóng)機(jī)化，2019，（17）：154-155.

[3]張雨源，楊剛，范俊明， 等.熱處理工藝對(duì)高壓氣瓶用34 CrMo4鋼屈強(qiáng)比的影響[J].金屬熱處理，2020，45（2）：125-129.

[4]劉曉超，周永強(qiáng)，張艷麗， 等.高壓氣瓶熱處理自動(dòng)生產(chǎn)線爐溫控制系統(tǒng)的研究[J].機(jī)電工程技術(shù)，2019，48（12）：14-17.

[5]原凌云.超高壓氣瓶鋼34CrMo4H熱壓縮流變應(yīng)力行為[J].特殊鋼，2019，40（4）：1-3.

[6]趙長(zhǎng)財(cái)，郝海濱，胡麗梅， 等.坯料溫度不均對(duì)高壓氣瓶反擠壓件質(zhì)量的影響[J].鍛壓技術(shù)，2019，44（6）：88-96，172.

[7]孫慶國(guó)，王天祥，陳強(qiáng)， 等.高壓氣瓶對(duì)外輸氣過程的一種簡(jiǎn)化熱力學(xué)模型及應(yīng)用[J].低溫與超導(dǎo)，2019，47（6）：30-34.

[8]趙鑫蕊，畢哲，貢鳴， 等.鋁合金氣瓶表面處理方法概述[J].化學(xué)試劑，2020，42（5）：514-521.

[9]高靜娜，李強(qiáng)，高穎， 等.氣瓶?jī)?nèi)部淬火過程的流動(dòng)換熱特性[J].鋼鐵，2019，54（10）：66-71，90.