6xxx系鋁合金圓管擠壓橫向焊縫問題研究

潘 巖，謝方亮，董晶飛，李延軍，王鴻玉

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

隨著軌道交通事業(yè)的飛速發(fā)展，軌道車體及汽車車身材料輕量化必不可少。而鋁合金具有質(zhì)量輕、良好的可焊性、耐蝕性、回收再生性、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn) 是替代鋼材、實(shí)現(xiàn)汽車車身及軌道車體輕量化的必要材料，其中6xxx系A(chǔ)l-Mg-Si合金圓管材被廣泛應(yīng)用在汽車儀表盤支架、發(fā)動(dòng)機(jī)支架等混合金屬結(jié)構(gòu)件中。

鋁合金常采用分流組合模具進(jìn)行擠壓，在擠壓生產(chǎn)時(shí)，多采取連續(xù)擠壓方式，在相鄰兩個(gè)鑄棒之間必會(huì)形成一個(gè)界面，隨著擠壓過程的逐步進(jìn)行，此界面會(huì)被擠入型材之中，在內(nèi)部形成橫向焊縫[1-3]。橫向焊縫區(qū)域往往含有氧化層和油污等污染物，影響材料的連續(xù)性及各項(xiàng)性能，應(yīng)該切除。同時(shí)，擠壓過程中金屬流動(dòng)的不均勻性導(dǎo)致橫向焊縫在型材內(nèi)部延伸過長(zhǎng)，導(dǎo)致成品率下降嚴(yán)重[4]。

本文通過對(duì)6xxx系鋁合金圓管橫向焊縫微觀組織觀察，對(duì)比縱向焊縫、橫向焊縫及縮尾缺陷的形成機(jī)理，研究橫向焊縫延伸的變化規(guī)律，通過調(diào)整模具結(jié)構(gòu)、優(yōu)化擠壓參數(shù)，結(jié)合低倍試驗(yàn)檢測(cè)，減少橫向焊縫在制品上的延伸長(zhǎng)度，提高制品成品率及生產(chǎn)效率。

1 擠壓橫向焊縫形成過程

1.1 橫向焊縫、縱向焊縫與縮尾的區(qū)別

擠壓縮尾在GB/T26492.5《變形鋁及鋁合金鑄錠及加工產(chǎn)品缺陷》中定義為：在“擠壓制品尾端產(chǎn)生的喇叭狀空穴”，可知縮尾是在擠壓制品的尾端產(chǎn)生的缺陷。圖1為擠壓縮尾形成過程，可以看到，在擠壓末期，金屬流動(dòng)紊亂，鑄錠表皮金屬沿?cái)D壓墊表面及后端彈性變形區(qū)界面流入尾端制品內(nèi)部，形成嚴(yán)重破壞金屬連續(xù)性的缺陷。

縱向焊縫是位于分流橋下方的大剪切應(yīng)變帶，其位置取決于分流孔布局，且沿著制品擠壓方向延伸至整個(gè)擠壓過程[5]。如圖2(a)、圖2(c)、圖2(d)所示，經(jīng)堿蝕后，低倍組織觀察發(fā)現(xiàn)，縱向焊合位置在某個(gè)角度下與其他位置顏色不同，表現(xiàn)為淺色或白色帶狀區(qū)域，在強(qiáng)光照射下為暗色帶狀區(qū)；高倍下觀察為晶粒尺寸異常區(qū)域(再結(jié)晶晶粒)，可能為部分再結(jié)晶或者完全再結(jié)晶，但與非熔合焊縫位置區(qū)別明顯，無不連續(xù)的氧化物被腐蝕后留下的孔洞，該位置在掃描電鏡下觀察后也沒有不連續(xù)的氧化物孔洞分布。

橫向焊縫是形成在兩個(gè)連續(xù)擠壓鑄錠之間的接觸平面，發(fā)生在擠壓制品頭端，其焊合過程包含高溫下焊合面的壓力焊和剪切接觸，鑄錠端頭難以避免的存在一定的氧化膜、油污、渣粒等污染現(xiàn)象。如圖2(b)、圖2(d)、圖2(f)所示，經(jīng)堿蝕后，低倍組織觀察發(fā)現(xiàn)，在橫向焊合位置，從各個(gè)角度下觀察都存在明顯的不連續(xù)界線，沿不連續(xù)曲線上面分布黑色質(zhì)點(diǎn)，高倍組織及掃描電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，不連續(xù)曲線上分布的是可溶性氧化物在腐蝕劑腐蝕后留下的孔洞。

國(guó)內(nèi)大部分企業(yè)都將平面分流組合模的擠壓制品頭端的橫向焊縫缺陷，當(dāng)做縮尾缺陷加以控制，而忽略了橫向焊縫的形成過程及延伸變化規(guī)律與縮尾完全不一樣，在控制橫向焊縫延伸長(zhǎng)度時(shí)，效果不明顯。

1.2 擠壓橫向焊縫形成過程

在使用分流組合模進(jìn)行空心鋁型材擠壓連續(xù)生產(chǎn)時(shí)，型材頭端同時(shí)存在縱向焊縫和橫向焊縫兩種焊縫[6]?？v向焊縫位置與分流孔有關(guān)，沿?cái)D壓方向，伴隨著整個(gè)擠壓過程。而在型材連續(xù)擠壓過程中，上一根鑄錠的剩鋁完全填充在整個(gè)模具型腔中，下一根鑄錠經(jīng)鐓粗、分流后在鑄錠模具界面與剩鋁接觸，剩鋁逐漸包覆新鋁，并被擠出，在摩擦力的作用下，對(duì)應(yīng)分流孔位置流速快，分流孔下新鋁逐漸增多。而分流橋下位置流速慢，對(duì)應(yīng)位置舊鋁堆積，隨著擠壓的進(jìn)行，新鋁逐漸從分流孔下對(duì)應(yīng)位置，向分流橋下對(duì)應(yīng)位置擴(kuò)展，相比較上文所說縱向焊縫，新鋁沿著垂直擠壓方向逐漸與舊鋁焊合并被帶出，在制品內(nèi)部形成橫向焊縫。橫向焊縫在制品上是一個(gè)很長(zhǎng)的過渡性區(qū)域，被稱為橫向焊縫區(qū)[7]。鋁合金圓管擠壓過程橫向焊縫形成過程如圖3、圖4所示。

2 6xxx鋁合金圓管擠壓橫向焊縫問題研究

本文通過對(duì)擠壓參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整，采用擠壓實(shí)驗(yàn)結(jié)合低倍組織檢測(cè)的研究方法，進(jìn)行橫向焊縫延伸長(zhǎng)度影響因素的研究。

2.1實(shí)驗(yàn)材料

本次實(shí)驗(yàn)所用的6xxx鋁合金圓管主要尺寸見圖5，該圓管外徑25mm，內(nèi)徑17mm，壁厚為4mm。采用88MN(880T)擠壓機(jī)進(jìn)行連續(xù)擠壓實(shí)驗(yàn)，擠壓比為46。此次實(shí)驗(yàn)采用a、b、c、d四種擠壓工藝制度及A、B、C、D四種模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行擠壓上機(jī)，由于橫向焊縫在制品頭端開始沿著擠壓方向，會(huì)延伸一定距離，因此將擠壓制品頭端/尾端不同位置與停車印之間的距離定義為長(zhǎng)度Lt和Lw，如圖6所示。

擠壓后，將四套模具擠壓制品頭端5m、尾端2m以內(nèi)制品每隔0.5m切取并制成低倍試樣，進(jìn)行堿腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)堿液濃度為45g/L±3g/L，試驗(yàn)溫度為40℃～50℃，侵蝕時(shí)間為20min。

2.2 擠壓工藝參數(shù)對(duì)橫向焊縫延伸長(zhǎng)度的影響

選擇A結(jié)構(gòu)模具(圖7)，在不同的擠壓工藝參數(shù)下上機(jī)試制。采用四孔分流，四個(gè)分流孔大小相等，且完全對(duì)稱分布；分流比為18.53，分流孔外徑112mm，擠壓筒直徑125mm，擠壓筒直徑與分流孔外徑比為0.896；模橋采用水滴形，焊合室深度15mm，焊合室入口角度α為0°(焊合室入口的角度為分流組合模下模焊合室側(cè)壁和中線夾角)，工作帶寬度5.5mm，擠壓工藝參數(shù)如表1所示。擠壓后，不同擠壓工藝下頭端距離停車印距離Lt低倍試驗(yàn)結(jié)果見圖8。

表1 擠壓工藝參數(shù)

侵蝕后，A模具低倍試樣顯示橫向焊縫形態(tài)變化如圖9所示?？梢钥吹?，A模具頭端從“假接頭”位置開始，沿?cái)D壓方向，當(dāng)L=1m時(shí)，開始出現(xiàn)橫向焊合，說明當(dāng)L<1m時(shí)，型腔中剩鋁未包覆新鋁，在1m位置開始，下一個(gè)鑄錠的新鋁從焊合室中被包覆擠出；隨著擠壓的進(jìn)行，新鋁的比例越來越大，直至L=4.5m時(shí)，最后在分流橋下對(duì)應(yīng)的融合口附近上一鑄錠的剩鋁消失，橫向焊合過渡為縱向焊合。

可以看到，鑄錠加熱溫度對(duì)于橫向焊縫延伸長(zhǎng)度影響不大，而適當(dāng)增大擠壓速度可以有效減小橫向焊縫延伸長(zhǎng)度；壓余長(zhǎng)度對(duì)橫向焊縫延伸無明顯影響，而對(duì)尾端縮尾長(zhǎng)度有影響，壓余越小，縮尾延伸越長(zhǎng)。

2.3 模具參數(shù)對(duì)橫向焊縫長(zhǎng)度L的影響

選擇d擠壓工藝制度，擠壓溫度460℃～480℃，擠壓速度7m/min～9m/min，殘料厚度為40mm，采用A、B、C、D四種不同模具結(jié)構(gòu)(圖10)進(jìn)行上機(jī)試驗(yàn)。

四套模具中，B模具是在A模具的基礎(chǔ)上，進(jìn)行沉橋處理，提高焊合室存鋁量，靜水壓力提高，焊合壓力提高。C模具是在深焊合室基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)，在分流孔下增加凸臺(tái)，凸臺(tái)靠緊?？走吘壸鲆粋€(gè)13.9°的傾角，增加順鋁，以促進(jìn)死區(qū)部分金屬盡快被帶出。D模具采用三孔三橋設(shè)計(jì)，相比于A模具，入料最大外接圓直徑明顯減小，分流孔數(shù)量減少，分流孔面積隨之變小，可直接減少模腔中上一支鑄錠的剩鋁量；同時(shí)，將焊合室入口角度增加為60°，形成錐形焊合室，用以提高焊合壓力，改善死區(qū)殘余金屬堆積。擠壓后，低倍試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

對(duì)比A、B兩套模具擠壓后結(jié)果，可知隨著焊合壓力的增大，橫向焊縫延伸長(zhǎng)度減小，但減幅較小。從四套模具存鋁量的對(duì)比來看，D模具的存鋁量最小，延伸長(zhǎng)度最小；A、B、C三套模具在存鋁量相當(dāng)?shù)臈l件下，C、D模具橋下死區(qū)金屬的流動(dòng)性要優(yōu)于A、B兩套模具，所以，C、D模具較A、B兩套模具橫向焊縫出現(xiàn)更早，延伸長(zhǎng)度更短。

結(jié)果表明，適當(dāng)減少模腔存鋁量可有效減少橫向焊縫的延伸長(zhǎng)度。焊合壓力對(duì)橫向焊縫的延伸有一定影響，但效果不明顯。通過適當(dāng)?shù)某翗蚝驮黾雍负鲜胰肟诮嵌鹊却胧?，減小分流橋下死區(qū)金屬，改善金屬流動(dòng)，使死區(qū)殘余金屬提前流出，被新鋁替代，從而減小橫向焊縫的延伸長(zhǎng)度。

3 結(jié)論

本文對(duì)縮尾、縱向焊縫、橫向焊縫的形成過程進(jìn)行探究，對(duì)比縮尾缺陷與橫向焊縫缺陷形成機(jī)理的不同，通過擠壓+低倍試驗(yàn)研究方法，總結(jié)了橫向焊縫延伸長(zhǎng)度的影響因素。

(1)橫向焊縫是由于連續(xù)擠壓過程中模腔內(nèi)殘鋁逐漸被新鋁取代，新鋁和舊鋁之間橫向焊合的過程，出現(xiàn)在制品頭端一定長(zhǎng)度內(nèi)，新舊鑄錠接觸焊合界面微觀組織中往往存在氧化膜、油污等雜質(zhì)；而縮尾存在于擠壓過程末期，由于金屬流動(dòng)紊亂或供鋁不足，使鑄錠表皮或死區(qū)金屬流入制品形成的。

(2)縱向焊縫則伴隨著整個(gè)擠壓過程存在，焊合界面為晶粒尺寸異常區(qū)域。

(3)擠壓工藝參數(shù)對(duì)橫向焊縫延伸有一定影響，適當(dāng)提高擠壓速度，可以減少橫向焊縫的延伸，而擠壓溫度作用不大，壓余厚度對(duì)于縮尾缺陷影響明顯，對(duì)于橫向焊縫延伸無明顯影響。

(4)模具結(jié)構(gòu)對(duì)橫向焊縫的形成和延伸有顯著影響，焊合壓力對(duì)橫向焊縫延伸有一定影響，但作用不明顯，而模腔存鋁量和焊合室入口角度對(duì)橫向焊縫作用明顯。良好的焊合壓力下，較小的存鋁量和較大的焊合室入口角度可以使殘留在死區(qū)的舊鋁提前流出，使橫向焊縫前移并縮短。