摘　要：車用壓縮天然氣氣瓶是環保型汽車的主要部件．主要敘述了天然氣氣瓶的國內外發展概況，并重點陳述了金屬一復合材料氣瓶的結構形式、試驗研究過程、關犍工藝、優點等。通過該項技術研究證明有焊縫的金屬內膽同樣可以滿足天然氣氣瓶的性能要求．
關鍵詞：天然氣氣瓶；發展；焊接內膽；纏繞

0　概述

　　車用壓縮天然氣氣瓶是環保型汽車的主要部件．隨著天然氣汽車的日益增多以及對各大城市環境保護的強制要求，車用壓縮天然氣氣瓶在需求量增大的同時，對其使用性能、安全性、經濟性也提出了更高的要求．
       本文就國內外的氣瓶發展概況進行了簡單敘述，并重點對國內焊接金屬內膽環向纏繞氣瓶性能試驗進行研

1　國內外壓縮天然氣氣瓶發展概況

1.1　國外壓縮天然氣氣瓶概況
　　天然氣汽車迅猛發展，作為天然氣汽車的主要配件一天然氣氣瓶則成為人們研究的重點課題。目前，國外的天然氣氣瓶基本上有3種類型：
　　(1)純金屬的鋼質氣瓶．
　　(2)環向纏繞復合材料鋼氣瓶．
　　(3)復合材料“繭式”纏繞塑料(或鋁)內膽氣瓶．
　　這3類氣瓶的工藝成熟，性能穩定，都已廣泛應用于各種汽車．而鋼內膽環向纏繞氣瓶由于其外形變化靈活、容重比適中、成本低等優點而應用廣，比如烏克蘭、英國及美國均采用該結構的氣瓶。
1.2　國內壓縮天然氣氣瓶概況
　　目前國內有許多廠家都在進行天然氣氣瓶的開發研制工作，其中鋼瓶、塑料內膽(或鋁內膽)全纏繞氣瓶的性能穩定，工藝成熟，市場較好．純鋼質氣瓶是由無縫鋼管經熱壓拉拔后成型，要滿足其使用性能和制造工藝要求，氣瓶重量難以降低，壁厚誤差較大，其重量與容積比一般都大于1.25 kg／L．而鋁內膽或塑料內膽加玻璃纖維“繭式”纏繞的復合材料氣瓶，該類氣瓶價格高，工藝復雜，所使用的設備昂貴，而且用于密封的聚合物材料易于老化并逐漸失去彈性及密封性，從而降低氣瓶的使用性能，其重量與容積比一般為0.3―0.7kg／L．
　　針對上述兩類氣瓶的優缺點，結合產品的工藝特點，提出采用超強鋼30CrMnSiA焊接金屬內膽，外層采用環向纏繞復合材料制作金屬一復合材料氣瓶的方案．先，采用超高強度鋼制作內膽既滿足強度要求又減輕重量；其次，該方案使氣瓶制作工藝簡單，成本降低且易于大批量生產．

2　技術關鍵及工藝研究

2.1　內膽的結構方案
　　如圖1、圖2所示。

　　氣瓶的使用工況：工作壓力20MPa。充氣次數8000次。破壞時無碎片．內膽由下封頭體、筒體、上封頭體和瓶嘴組成．上下封頭體直接沖壓成型。筒體用鋼板卷焊成型。瓶嘴由鍛件毛坯機加工成型．各部分通過3條環焊縫和1條縱焊縫焊接后構成整個氣瓶內膽．為了保證壁厚均勻和強度要求。除瓶嘴外都采用30CrMnSiA的精軋板材。厚度4±0.1mm。板材表面光滑、無裂紋、凹坑等影響強度的缺陷．從上述結構不難看出。該結構方案的技術關鍵為：
　　(1)焊接技術：在保證焊縫強度與母材強度之比≥0.98的前提下。滿足條件 σb≥ 1200MPa、σs≥900MPa且σs／σb≤0.85，所有焊縫無缺陷，并進行100％探傷檢驗．
　　(2)熱處理技術：通過退火和整體調質處理參數的確定。使瓶體內膽具備上述強度條件．
2.2　焊縫試件試驗研究
　　為了確保焊縫能滿足實際工況。先按照氣瓶焊接工藝制作了兩個縱焊縫試驗件。隨焊接內膽一起進行熱處理。并對焊縫進行100％探傷檢驗后。作了如下試驗：個試驗件進行機械性能試驗。其結果如圖2所示。另一個試驗件做疲勞強度試驗。結果如圖3所示．
　　圖2表明焊縫抗拉強度與基材抗拉強度比值均大于98％ 。說明該工藝過程可行．疲勞試驗加載力采用梯形波，上升時間為1.5s。保持3min后(保持應力為800MPa)卸載。卸載時間也為1.5s，小應力為100MPa。并安裝有標距為25mm的引伸計，測得有關數據。

　　圖3表明平均應變到7000次以后穩定。應變幅度始終保持恒定，說明試件沒有發生變形或產生裂紋。在試驗應力下，循環11000次無問題．
2.3　樣瓶試制及試驗
　　確定了焊接工藝和熱處理工藝。并對縱焊縫試驗件試驗完成后。以50L氣瓶為例，制造出6只焊接鋼內膽纏繞樣瓶。如圖4所示。并分別作了相關試驗．試驗數據如下：
　　1)根據天然氣汽車用鋼瓶試驗條件。用1支氣瓶做水壓爆破試驗。爆破壓力為35MPa．破壞形式沿縱向焊縫撕裂，無碎片．
　　2)根據天然氣汽車用鋼瓶試驗條件，用1支氣瓶做常溫疲勞試驗，試驗壓力3MPa-18MPa-3MPa，加載頻率為8~10次／min．疲勞循環8000次，鋼內膽無異常．
　　在上述試驗完成后，用3支樣瓶做無堿砂環向纏繞，纏繞厚度3~5mm．纏繞分布在瓶體部分．在纏繞工序完成后，分別用這兩個成品氣瓶做了疲勞和爆破試驗．試驗情況如下：
　　1)根據天然氣汽車用鋼瓶試驗條件，用1支氣瓶做水壓爆破試驗，爆破壓力達到54.4 MPa，破壞形式沿縱焊縫貫通性破裂，無碎片．
　　2)根據天然氣汽車用鋼瓶試驗條件，可用1支氣瓶做常溫疲勞試驗，其試驗壓力為3MPa-25Mpa-3MPa，加載頻率為8~10次／min，疲勞循環8000次，鋼內膽無異常，之后進行爆破試驗，爆破壓力為46.9MPa
　　3)為考核氣瓶極限強度，用一支成品氣瓶做疲勞破壞性試驗，試驗壓力3Mpa-30MPa-3MPa．8~10次／min，疲勞試驗5000次后破壞，破壞形式沿縱焊縫破裂．

3　試驗結果分析

　　焊接結構金屬內膽環向纏繞氣瓶50L規格樣瓶，實測重量與容積比為0.65，小于純鋼瓶，大于全復合材料氣瓶．其成本為鋼瓶的1.6―1.8倍，為復合材料氣瓶的0.5~0.6倍．
　　由于我國沒有相關的標準，參考美國標準(CNG車輛燃燒罐的基本需要>試驗數據如表1。

　　結果表明：焊接金屬內膽復合材料環向纏繞氣瓶完全符合或超過美國相關標準．該技術方案是成功和可行的．

4　結論

　　通過對焊接金屬內膽環向纏繞氣瓶的研制表明：
　　1)用超高強度鋼30CrMnSiA制造氣瓶金屬內膽的結構方案是可行的，其焊接工藝和熱處理工藝完全能夠滿足車用壓縮天然氣氣瓶對鋼內膽的性能要求．
　　2)突破了車用壓縮天然氣氣瓶金屬內膽不允許有縱向焊縫的禁區，取得了滿意的實驗結果．
　　3)應進一步加強對該形式氣瓶批量生產質量保證工作的研究，抓緊制定相關標準，積極開展該項工作，為盡快投入大批量生產做好一切準備。