關(guān)于空心鋁型材焊合問(wèn)題改善措施的探討

朱永超 鞠克江 王 彬 李延義

（山東兗礦輕合金有限公司，山東濟(jì)寧273515）

0 引言

目前6系鋁合金擠壓空心型材，大多都采用分流組合模擠壓生產(chǎn)，由于采用分流組合模生產(chǎn)，產(chǎn)品就不可避免地存在焊合問(wèn)題。采用分流組合模生產(chǎn)的產(chǎn)品，切短的鑄錠通過(guò)分流孔后被分成幾股金屬，分開(kāi)的金屬在焊合室內(nèi)被重新焊合為整體，因此在擠出的產(chǎn)品中，從頭至尾貫穿存在著縱向的焊縫，如果產(chǎn)品存在焊合不良，不僅會(huì)影響產(chǎn)品的機(jī)械性能，同時(shí)增加了產(chǎn)品后續(xù)折彎開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。

本文對(duì)焊合不良產(chǎn)品的產(chǎn)生原因進(jìn)行了討論，并針對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，提出了解決擠壓型材焊合不良問(wèn)題的幾點(diǎn)措施。

1 焊合不良產(chǎn)生的原因分析

關(guān)于分流組合模擠壓焊縫形成機(jī)理，人們尚未完全了解，由于擠壓過(guò)程是金屬在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的封閉環(huán)境中進(jìn)行的，無(wú)法直接對(duì)金屬擠壓變形過(guò)程進(jìn)行研究，大多數(shù)研究還是以計(jì)算機(jī)仿真模擬為主，進(jìn)而了解金屬在模具分流孔及焊合室內(nèi)的流動(dòng)情況，從而探究焊縫形成的機(jī)理。

中南大學(xué)林高用[1]等利用Deform3D軟件對(duì)方形擠壓材的焊合過(guò)程進(jìn)行研究，將擠壓焊合過(guò)程分為墩粗、分流、焊合、穩(wěn)定擠壓等階段，并提出分流橋下被封閉的氣體是焊縫缺陷的形成原因。上海交大唐鼎[2]等在細(xì)觀(guān)塑性力學(xué)的基礎(chǔ)上，建立焊合空洞演化模型，將分流擠壓焊合過(guò)程分為金屬初始接觸、空洞閉合、界面消失三個(gè)階段，并指出，在分流橋下首先接觸的金屬界面，存在許多微觀(guān)空洞，隨著壓力的增大、溫度的升高，空洞逐漸消失，隨后在再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大過(guò)程中空洞界面消失。馮迪[3]等對(duì)鋁合金分流模擠壓焊合問(wèn)題進(jìn)行了研究，文中提出了粘著摩擦條件下的剪切機(jī)制、滑動(dòng)摩擦條件下的焊合機(jī)制兩種縱向焊縫形成機(jī)制。

結(jié)合文獻(xiàn)資料，本文對(duì)分流模擠壓縱向焊縫形成過(guò)程進(jìn)行了分析，初步認(rèn)為，由于焊合壓力不夠、焊合時(shí)間太短、雜質(zhì)異物、氣泡等原因造成分流橋下兩金屬接觸面無(wú)法達(dá)到緊密連續(xù)狀態(tài)，是造成焊合不良的根源。

（1）焊合壓力不夠。模具設(shè)計(jì)中的模具厚度不夠、分流孔過(guò)大、焊合室深度不夠或容積太小等是造成焊合壓力不足的主要原因；擠壓機(jī)臺(tái)排產(chǎn)不合理，較小的擠壓比，也會(huì)導(dǎo)致擠壓力小，從而無(wú)法保證焊合壓力。

（2）焊合時(shí)間太短。擠壓速度過(guò)快或焊合室深度太淺，導(dǎo)致金屬在焊合室內(nèi)停留時(shí)間太短，造成焊合效果不良。

（3）雜質(zhì)異物。鑄錠表面質(zhì)量不好、模具內(nèi)腔表面有臟污、擠壓墊潤(rùn)滑采用石墨油、壓余長(zhǎng)度過(guò)小等原因，造成金屬夾雜，從而影響焊縫質(zhì)量。

（4）氣泡。由于擠壓筒磨損或變形、壓余剪剪切效果不好、鑄錠含氫量高或疏松等缺陷造成分流橋下有封閉氣體，從而影響焊縫質(zhì)量。

2 焊縫質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

研究資料表明，目前焊縫質(zhì)量的好壞評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有堿洗低倍焊縫檢測(cè)（GB/T 3246.2—2012）、破壞實(shí)驗(yàn)檢測(cè)（軌道交通行業(yè)）、力學(xué)對(duì)比實(shí)驗(yàn)等方法。北京有色金屬研究總院程磊[4]等提出了用參數(shù)K來(lái)評(píng)價(jià)分流組合模擠壓型材的焊合質(zhì)量，K值為焊合面上的平均靜水壓力與金屬屈服強(qiáng)度的比值，提出K值大于1，就可以認(rèn)為產(chǎn)品能完好焊合，比值越大，焊合質(zhì)量就越好。國(guó)內(nèi)外一些研究提出了以擠壓力、焊合力、最小臨界壓縮比等為主要依據(jù)的焊合評(píng)價(jià)方法，但大都停留在數(shù)值模擬階段，離指導(dǎo)實(shí)際擠壓尚有距離。

目前，用于生產(chǎn)中的焊縫質(zhì)量評(píng)價(jià)方法主要有焊縫低倍檢測(cè)、擴(kuò)口實(shí)驗(yàn)、折彎實(shí)驗(yàn)、力學(xué)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)等，焊合質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分別為：低倍組織無(wú)明顯黑線(xiàn)、開(kāi)裂，擴(kuò)口、折彎實(shí)驗(yàn)焊縫斷口為鋸齒形貌，力學(xué)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)焊縫區(qū)域與母材對(duì)比相同時(shí)（或＞90%），可判定該焊縫合格。

3 焊合不良常見(jiàn)改善措施總結(jié)

3.1 評(píng)審擠壓機(jī)的選擇，合理確定擠壓比范圍

大多數(shù)鋁合金擠壓生產(chǎn)廠(chǎng)家，在簽訂設(shè)備采購(gòu)合同前，需對(duì)所需采購(gòu)的產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)審，一般包括技術(shù)評(píng)審、成本分析、交期評(píng)價(jià)等方面，其中技術(shù)評(píng)審包含擠壓機(jī)臺(tái)的選擇、模具規(guī)格的確定。擠壓機(jī)臺(tái)的選擇依據(jù)是產(chǎn)品尺寸大?。ù_保前梁出口無(wú)阻礙）、產(chǎn)品面積大?。ù_保擠壓比合適）、擠壓成品率等方面，空心型材采用分流模擠壓，為保證焊合質(zhì)量，擠壓比一般控制在20以上，對(duì)于工業(yè)用空心鋁擠壓型材建議擠壓比選擇在30～60之間為宜。

3.2 焊合不良統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析

在生產(chǎn)中，出現(xiàn)焊合不良時(shí)，應(yīng)對(duì)該產(chǎn)品焊合不良情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析可能產(chǎn)生問(wèn)題的原因。焊合不良統(tǒng)計(jì)時(shí)，一是先根據(jù)產(chǎn)品焊縫圖紙對(duì)焊縫位置進(jìn)行編號(hào)，方便統(tǒng)計(jì)每個(gè)產(chǎn)品出現(xiàn)異常的焊縫位置信息；二是同一根鑄棒頭尾分別取樣，頭端可以根據(jù)模具焊合腔內(nèi)的含鋁量計(jì)算出最短切頭長(zhǎng)度，依次每隔半米取樣驗(yàn)證，尾端依據(jù)淬火裝置到前梁模具工作帶位置之間的距離，確定最短切尾長(zhǎng)度，一般鋸切3～5根鑄錠壓出產(chǎn)品即可。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如頭尾低倍結(jié)果都不合格，一般情況下需改善對(duì)應(yīng)焊縫位置的模具結(jié)構(gòu)；尾端合格，頭端焊縫位置出現(xiàn)黑線(xiàn)，通常將對(duì)應(yīng)分流橋進(jìn)行沉橋處理；尾端合格，頭端部分位置出現(xiàn)舌形/拋物線(xiàn)形黑線(xiàn)、分層以及焊縫明顯加粗等情況時(shí)，需增加切頭長(zhǎng)度，將頭端橫向焊縫切除（也叫重疊區(qū)）；尾端合格，頭端下部位置焊縫出現(xiàn)焊合不良時(shí)，可在線(xiàn)觀(guān)察壓余剪切情況，此種情況多數(shù)是鑄錠尾端壓余剪切效果不好，造成模具分流孔內(nèi)有縫隙，從而導(dǎo)致排氣不良所致。

3.3 模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

分流組合模的模具結(jié)構(gòu)、焊合室深度和面積、分流橋形狀等參數(shù)是影響空心型材焊合情況的關(guān)鍵參數(shù)，在生產(chǎn)中60%以上的焊合問(wèn)題與模具有關(guān)。模具結(jié)構(gòu)目前比較流行的是蝶形模（圖1），該型模具的分流橋與傳統(tǒng)分流模相比較低，用來(lái)減小突破擠壓力，延長(zhǎng)模具壽命的同時(shí)增加金屬流動(dòng)的均勻性，分流橋設(shè)計(jì)為彎曲的弓形，改善了模橋橋下金屬的流動(dòng)，有效限制了死區(qū)的形成，提高了焊合組織性能；目前車(chē)體用寬扁空心型材一般采用入口沉橋含料寬展模具結(jié)構(gòu)（圖2），入口沉橋含料結(jié)構(gòu)能較好地避免剪切壓余時(shí)將鋁從分流孔內(nèi)帶出，如果帶出，擠壓填充金屬時(shí)存有的氣體會(huì)對(duì)制品焊合質(zhì)量造成影響。焊合室的形狀是分流組合模設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)，特別是焊合室高度、面積，焊合室高度作用在于保證模橋下聚集有足夠的金屬，使焊合室中建立起較高的靜水壓力，焊合室面積是反映焊合本質(zhì)中二次分流比的重要組成部分，面積越大，越有利于焊合。分流橋截面形狀有矩形、矩形倒角、水滴形等，主流的設(shè)計(jì)截面為水滴形，其有利于金屬的流動(dòng)與焊合。

圖1 蝶形模三維造型示意圖

圖2 入口沉橋含料寬展模具結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 擠壓工藝控制

針對(duì)空心型材焊合質(zhì)量，除模具是主要影響因素外，擠壓工藝參數(shù)也是影響焊合的另一主要因素。擠壓比選擇、擠壓速度、擠壓溫度、切頭長(zhǎng)度等工藝參數(shù)，以及焊合壓力、焊合時(shí)間等過(guò)程參數(shù)均對(duì)焊合質(zhì)量產(chǎn)生影響。擠壓比增大，同樣擠壓工藝條件下可以避免焊合不良，同一個(gè)產(chǎn)品擠壓比越大所需要的擠壓力越大，同時(shí)模具焊合室內(nèi)的焊合壓力就大，焊合效果就好；擠壓速度越慢，金屬在焊合室內(nèi)停留時(shí)間越長(zhǎng)，越有利于焊合，但實(shí)際速度選擇應(yīng)與擠壓溫度、產(chǎn)品表面質(zhì)量等相匹配；擠壓溫度越高，金屬的塑性越好，越有利于擠壓金屬的充分焊合，但溫度高時(shí)，金屬變形抗力小，擠壓力小，對(duì)應(yīng)的焊合壓力就低，這對(duì)焊合起消極作用。6系工業(yè)鋁型材分流模擠壓，擠壓比一般控制在30～60之間為宜，擠壓速度在5～15 m/min之間、擠壓溫度在480～520℃最佳。

3.5 提升焊合質(zhì)量檢測(cè)效率與細(xì)化擠壓過(guò)程控制

傳統(tǒng)焊縫質(zhì)量檢測(cè)，按照標(biāo)準(zhǔn)要求一般是2%的比例抽檢，試樣隨產(chǎn)品擠壓鋸切后送檢測(cè)部門(mén)檢測(cè)，這樣勢(shì)必存在焊縫檢測(cè)的滯后性，極易出現(xiàn)焊合不良情況。隨著對(duì)鋁型材質(zhì)量要求的不斷提高，在生產(chǎn)車(chē)輛用型材時(shí)，焊縫檢測(cè)比例已達(dá)到100%甚至200%，為確保焊合質(zhì)量，許多廠(chǎng)家已將焊合檢測(cè)室移至擠壓現(xiàn)場(chǎng)，由擠壓班組自行泡堿洗，在線(xiàn)檢測(cè)焊縫情況，從而更迅速地判定焊合質(zhì)量。

焊合質(zhì)量的好壞與擠壓過(guò)程的細(xì)化同樣存在著較大聯(lián)系，鑄棒的內(nèi)部缺陷易出現(xiàn)在空心型材的焊縫上，應(yīng)嚴(yán)控鑄棒質(zhì)量，避免裂紋、夾渣、氣泡等缺陷是控制焊合不良的前提；擠壓墊潤(rùn)滑目前常用的有氮化硼直接潤(rùn)滑擠壓墊、鑄錠尾端涂抹氮化硼、乙炔潤(rùn)滑、鹽水潤(rùn)滑等，短棒、長(zhǎng)感應(yīng)爐加熱時(shí)，分流模擠壓應(yīng)避免鑄錠尾端涂抹氮化硼；壓余剪剪切效果不好時(shí)，應(yīng)避免采用石墨油潤(rùn)滑的措施，否則容易帶雜物到擠壓筒中，進(jìn)而影響焊合質(zhì)量；應(yīng)合理設(shè)計(jì)壓余剪結(jié)構(gòu)，調(diào)整好剪刀與模具端面的距離，確保壓余剪切效果，避免模具端面分流孔內(nèi)縫隙存在而造成焊合異常；必須嚴(yán)格落實(shí)擠壓筒清筒要求，更換合金或定期清理擠壓筒，避免筒內(nèi)氧化皮帶入分流孔內(nèi)，建議采用厚度為20～30 mm的鋼板，按照筒徑×（1.005～1.007）的比例來(lái)加工清缸墊，可冷態(tài)直接清筒，使用效果良好。

4 結(jié)論

（1）分流模擠壓空心鋁型材，不可避免地存在橫向、縱向焊合的問(wèn)題，適當(dāng)選擇擠壓比大的擠壓機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)，有利于焊合質(zhì)量的保證。

（2）焊合不良主要是由模具結(jié)構(gòu)不合理、擠壓溫度低、擠壓速度快、鑄棒質(zhì)量差、壓余剪切不佳等原因造成的氧化皮、雜質(zhì)、氣泡等被帶入模具分流孔，在分流橋下對(duì)金屬焊合的連續(xù)產(chǎn)生破壞所致。

（3）采用蝶形模、入口沉橋含料寬展模具結(jié)構(gòu)，大的擠壓比，高溫低速的擠壓工藝，以及擠壓過(guò)程精細(xì)化控制技術(shù)等手段，可以避免焊合不良的出現(xiàn)。