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摘要：在社会经济高速发展的现代社会中，高压气瓶的应用在建筑、制造等行业都引起了关注，因此现在对高压无缝气瓶的制造和处理技术提出了更高的要求。本文主要结合高压无缝气瓶热处理工艺、模拟仿真技术等进行探究。
关键词：高压无缝气瓶;热处理;模拟仿真技术
高压无缝气瓶，是一种瓶体直径较宽，在实际使用过程中用来储存压缩气体[1]。瓶体两端收口采用热旋压方式，为了使高压无缝气瓶达到相应的力学性能标准，对经过旋压处理的瓶体进行热处理工艺。为了验证热处理技术对高压无缝气瓶的影响，以及在进行热处理后的瓶体铁素体的变化，就必须要对高压无缝气瓶的热处理进行研究。
1高压无缝气瓶热处理工艺
高压无缝气瓶热技术的效果和质量，影响着气瓶的使用寿命[2]。对于气瓶铝合金内胆的固溶化热处理，是要把内胆进行加热至一定的温度后，在单向区域内保持温度的稳定，促使中间相进行完美溶解后，到固溶体中后温度快速下降，消除软化，得到所需的固溶体。热处理的目的是为了铝合金的抗变形能力和断裂过程中吸收能量的能力得到改善，也为之后的沉淀硬化处理打下基础。固溶热处理与钢的淬火方式比较接近，不同的是，淬火的目的是要得到体心正方结构的马氏体，以此来加强机械加工对象的质量，通常都是与回火一起进行，而固溶热处理是为了减少沉淀现象[3]。对气瓶实施一种有效的热处理技术，可以使气瓶的材料获得更好的性能，对气瓶的实际生产有很好帮助，降低次品的产生率。
2模拟仿真技术
对于气瓶热处理模拟仿真技术，可以利用计算机来对相关研究数值进行模拟，来对最为关键的淬火过程进行分析。使用Simufact 软件，对制作材质为 4130X 钢的高压无缝气瓶的淬火过程进行模拟，分析如下：
2.1模拟仿真方法
（1）建立模型。使用Solid Edge设计出气瓶的仿真模型，构建出气瓶瓶体和两端的密封装置，采用三角形网格来对其进行描述，瓶体的外圈宽度在66cm，高84cm，厚度为2cm，在整个模拟过程中，瓶体两端的密封装置都保持封闭状态[4]。
（1）瓶体使用材料。主要是使用 4130X 钢，详情见下表。
（2）在软件模拟构建中，一般可以将模型分为机械加工对象、模子工具这两种类型。高压无缝气瓶属于机械加工对象，其他的属于模子工具，瓶体需要进行网格划分。在划分过程中要求计算的结果快速而准确，所以通常利用四面体单元来操作，单元大小为0.408cm，一共为102830个单元，瓶体两端的密封装置也采用同样的方法划分，单元大小为0.638cm，一共为8094个单元[5]。
（3）接触标准。高压无缝气瓶的模型接触，就是指瓶体两端与密封装置的衔接位置，两者之间要为零缝隙紧密结合，在气瓶衔接处的相差距离为10mm，粘合面全部的摩擦数值为0.4[6]。
（4）高压无缝气瓶热处理的参考数值。在瓶体开始淬火的时候，将温度调为890摄氏度，处理时间为30min，在进行气瓶保温期间的温度在890摄氏度不变，持续110min，在淬火出炉阶段，要求环境空气的温度在20摄氏度，时间为50s，在淬火进行冷却时，要求介质的温度也要在20摄氏度，时间为15min。所有的参考数值均是根据相关实际的气瓶热处理数值设计的，而淬火在冷却过程中的数值并无实际的参照，所以取水的70%作为参考数据[7]。
2.2模拟仿真结果
（1）淬火加热结果。在气瓶的模拟仿真加热过程中，观察了气瓶各个点的温度变化、气瓶对应的瞬时应力状态以及相的转变等方面情况，并将气瓶的瓶体进行质点研究，观察其在热处理模拟过程中的数值变化发现：在气瓶温度上升时，瓶体的等效应力先会增加，然后又会降下来，说明气瓶的相变和会一定的等效应力相抵消;气瓶两端的密封装置的加热过程等效应力最高，在258.31MPa左右，中间瓶体的等效应力最低，在0MPa左右;整个气瓶的奥氏体体积分数最大为258.34%，最小在0.00%。当高压无缝气瓶的温度变高时，瓶体的制作材料会变膨胀，所以导致瓶体的直径增大，在气瓶的温度满足淬火条件时，气瓶的直径增加到最大值。同时，气瓶在正常的室内温度条件下进行加热，瓶体会受到热应力的影响，从而使等效应力不停的上升。气瓶的材料会随温度增加，而导致气瓶的等轴状多边形晶粒变化，当瓶体材料彻底转变为面心立方结构的奥氏体时，气瓶的内部等效应力变化最小且为最低值[8]。
（2）淬火冷却结果。将加热结束的气瓶相关数值进行冷却过程模拟，观察在冷却过程中，气瓶各个点的温度变化、气瓶对应的瞬时应力状态以及相的转变等方面情况，并将气瓶的瓶体进行质点研究，判断此过程中对气瓶不同的部位影响，结果是：在气瓶刚刚出炉的时候，由于与室内的空气相接触，温度下降的速度是最快的;气瓶两端的密封装置在冷却过程中等效应力最高，在1588.79MPa左右，中间瓶体的等效应力最低，在8.44MPa左右;整个气瓶的位移最大为11.75mm，最小在0.00mm。随着气瓶淬火冷却温度的下降，瓶体就会产生等效应力，发生体心正方结构的马氏体变化，最终导致其相变过程不存在原子或离子的扩散，在这之后的瓶体结构也会随之改变，致使等效应力迅速增长，等到最后淬火冷却的温度和室内温度一致时，其等效应力实现最大。由于气瓶温度的下降，瓶体发生冷缩现象，造成直径变小，当气瓶的温度与室温相同时缩到最小值[9]。
2.3模拟仿真验证
高压无缝气瓶淬火冷却模拟仿真之后，其瓶体心部的铁素体为12.27%，气瓶实际的回火热处理的铁素体为10%左右，两者之间的铁素体改变不明显，证明此次模拟仿真的研究结果是具有实际生产意义的。
3结语
我国目前对高压无缝气瓶的需求量比较大，对其质量要求比较高。本文通过对高压无缝气瓶热处理模拟仿真技术的研究证明：高压无缝气瓶的淬火模拟仿真结果和实际的热处理结果差异不明显，可以在实际的生产中进行应用。
参考文献：
[1]张永峰，邵飞，武春学.高压无缝气瓶热处理模拟仿真技术研究[J].材料开发与应用，2020，35（1）：52-57.
[2]黄召昌，潘刘良，张全林， 等.高压无缝气瓶调质热处理工艺研究[J].湖北农机化，2019，（17）：154-155.
[3]张雨源，杨刚，范俊明， 等.热处理工艺对高压气瓶用34 CrMo4钢屈强比的影响[J].金属热处理，2020，45（2）：125-129.
[4]刘晓超，周永强，张艳丽， 等.高压气瓶热处理自动生产线炉温控制系统的研究[J].机电工程技术，2019，48（12）：14-17.
[5]原凌云.超高压气瓶钢34CrMo4H热压缩流变应力行为[J].特殊钢，2019，40（4）：1-3.
[6]赵长财，郝海滨，胡丽梅， 等.坯料温度不均对高压气瓶反挤压件质量的影响[J].锻压技术，2019，44（6）：88-96，172.
[7]孙庆国，王天祥，陈强， 等.高压气瓶对外输气过程的一种简化热力学模型及应用[J].低温与超导，2019，47（6）：30-34.
[8]赵鑫蕊，毕哲，贡鸣， 等.铝合金气瓶表面处理方法概述[J].化学试剂，2020，42（5）：514-521.
[9]高静娜，李强，高颖， 等.气瓶内部淬火过程的流动換热特性[J].钢铁，2019，54（10）：66-71，90.
关键词：高压无缝气瓶;热处理;模拟仿真技术
高压无缝气瓶，是一种瓶体直径较宽，在实际使用过程中用来储存压缩气体[1]。瓶体两端收口采用热旋压方式，为了使高压无缝气瓶达到相应的力学性能标准，对经过旋压处理的瓶体进行热处理工艺。为了验证热处理技术对高压无缝气瓶的影响，以及在进行热处理后的瓶体铁素体的变化，就必须要对高压无缝气瓶的热处理进行研究。
1高压无缝气瓶热处理工艺
高压无缝气瓶热技术的效果和质量，影响着气瓶的使用寿命[2]。对于气瓶铝合金内胆的固溶化热处理，是要把内胆进行加热至一定的温度后，在单向区域内保持温度的稳定，促使中间相进行完美溶解后，到固溶体中后温度快速下降，消除软化，得到所需的固溶体。热处理的目的是为了铝合金的抗变形能力和断裂过程中吸收能量的能力得到改善，也为之后的沉淀硬化处理打下基础。固溶热处理与钢的淬火方式比较接近，不同的是，淬火的目的是要得到体心正方结构的马氏体，以此来加强机械加工对象的质量，通常都是与回火一起进行，而固溶热处理是为了减少沉淀现象[3]。对气瓶实施一种有效的热处理技术，可以使气瓶的材料获得更好的性能，对气瓶的实际生产有很好帮助，降低次品的产生率。
2模拟仿真技术
对于气瓶热处理模拟仿真技术，可以利用计算机来对相关研究数值进行模拟，来对最为关键的淬火过程进行分析。使用Simufact 软件，对制作材质为 4130X 钢的高压无缝气瓶的淬火过程进行模拟，分析如下：
2.1模拟仿真方法
（1）建立模型。使用Solid Edge设计出气瓶的仿真模型，构建出气瓶瓶体和两端的密封装置，采用三角形网格来对其进行描述，瓶体的外圈宽度在66cm，高84cm，厚度为2cm，在整个模拟过程中，瓶体两端的密封装置都保持封闭状态[4]。
（1）瓶体使用材料。主要是使用 4130X 钢，详情见下表。
（2）在软件模拟构建中，一般可以将模型分为机械加工对象、模子工具这两种类型。高压无缝气瓶属于机械加工对象，其他的属于模子工具，瓶体需要进行网格划分。在划分过程中要求计算的结果快速而准确，所以通常利用四面体单元来操作，单元大小为0.408cm，一共为102830个单元，瓶体两端的密封装置也采用同样的方法划分，单元大小为0.638cm，一共为8094个单元[5]。
（3）接触标准。高压无缝气瓶的模型接触，就是指瓶体两端与密封装置的衔接位置，两者之间要为零缝隙紧密结合，在气瓶衔接处的相差距离为10mm，粘合面全部的摩擦数值为0.4[6]。
（4）高压无缝气瓶热处理的参考数值。在瓶体开始淬火的时候，将温度调为890摄氏度，处理时间为30min，在进行气瓶保温期间的温度在890摄氏度不变，持续110min，在淬火出炉阶段，要求环境空气的温度在20摄氏度，时间为50s，在淬火进行冷却时，要求介质的温度也要在20摄氏度，时间为15min。所有的参考数值均是根据相关实际的气瓶热处理数值设计的，而淬火在冷却过程中的数值并无实际的参照，所以取水的70%作为参考数据[7]。
2.2模拟仿真结果
（1）淬火加热结果。在气瓶的模拟仿真加热过程中，观察了气瓶各个点的温度变化、气瓶对应的瞬时应力状态以及相的转变等方面情况，并将气瓶的瓶体进行质点研究，观察其在热处理模拟过程中的数值变化发现：在气瓶温度上升时，瓶体的等效应力先会增加，然后又会降下来，说明气瓶的相变和会一定的等效应力相抵消;气瓶两端的密封装置的加热过程等效应力最高，在258.31MPa左右，中间瓶体的等效应力最低，在0MPa左右;整个气瓶的奥氏体体积分数最大为258.34%，最小在0.00%。当高压无缝气瓶的温度变高时，瓶体的制作材料会变膨胀，所以导致瓶体的直径增大，在气瓶的温度满足淬火条件时，气瓶的直径增加到最大值。同时，气瓶在正常的室内温度条件下进行加热，瓶体会受到热应力的影响，从而使等效应力不停的上升。气瓶的材料会随温度增加，而导致气瓶的等轴状多边形晶粒变化，当瓶体材料彻底转变为面心立方结构的奥氏体时，气瓶的内部等效应力变化最小且为最低值[8]。
（2）淬火冷却结果。将加热结束的气瓶相关数值进行冷却过程模拟，观察在冷却过程中，气瓶各个点的温度变化、气瓶对应的瞬时应力状态以及相的转变等方面情况，并将气瓶的瓶体进行质点研究，判断此过程中对气瓶不同的部位影响，结果是：在气瓶刚刚出炉的时候，由于与室内的空气相接触，温度下降的速度是最快的;气瓶两端的密封装置在冷却过程中等效应力最高，在1588.79MPa左右，中间瓶体的等效应力最低，在8.44MPa左右;整个气瓶的位移最大为11.75mm，最小在0.00mm。随着气瓶淬火冷却温度的下降，瓶体就会产生等效应力，发生体心正方结构的马氏体变化，最终导致其相变过程不存在原子或离子的扩散，在这之后的瓶体结构也会随之改变，致使等效应力迅速增长，等到最后淬火冷却的温度和室内温度一致时，其等效应力实现最大。由于气瓶温度的下降，瓶体发生冷缩现象，造成直径变小，当气瓶的温度与室温相同时缩到最小值[9]。
2.3模拟仿真验证
高压无缝气瓶淬火冷却模拟仿真之后，其瓶体心部的铁素体为12.27%，气瓶实际的回火热处理的铁素体为10%左右，两者之间的铁素体改变不明显，证明此次模拟仿真的研究结果是具有实际生产意义的。
3结语
我国目前对高压无缝气瓶的需求量比较大，对其质量要求比较高。本文通过对高压无缝气瓶热处理模拟仿真技术的研究证明：高压无缝气瓶的淬火模拟仿真结果和实际的热处理结果差异不明显，可以在实际的生产中进行应用。
参考文献：
[1]张永峰，邵飞，武春学.高压无缝气瓶热处理模拟仿真技术研究[J].材料开发与应用，2020，35（1）：52-57.
[2]黄召昌，潘刘良，张全林， 等.高压无缝气瓶调质热处理工艺研究[J].湖北农机化，2019，（17）：154-155.
[3]张雨源，杨刚，范俊明， 等.热处理工艺对高压气瓶用34 CrMo4钢屈强比的影响[J].金属热处理，2020，45（2）：125-129.
[4]刘晓超，周永强，张艳丽， 等.高压气瓶热处理自动生产线炉温控制系统的研究[J].机电工程技术，2019，48（12）：14-17.
[5]原凌云.超高压气瓶钢34CrMo4H热压缩流变应力行为[J].特殊钢，2019，40（4）：1-3.
[6]赵长财，郝海滨，胡丽梅， 等.坯料温度不均对高压气瓶反挤压件质量的影响[J].锻压技术，2019，44（6）：88-96，172.
[7]孙庆国，王天祥，陈强， 等.高压气瓶对外输气过程的一种简化热力学模型及应用[J].低温与超导，2019，47（6）：30-34.
[8]赵鑫蕊，毕哲，贡鸣， 等.铝合金气瓶表面处理方法概述[J].化学试剂，2020，42（5）：514-521.
[9]高静娜，李强，高颖， 等.气瓶内部淬火过程的流动換热特性[J].钢铁，2019，54（10）：66-71，90.