鋁擠壓帶板表面氣泡缺陷形成原因及解決方案探討

來臨 趙茂密 李飛龍

（廣西南南鋁加工有限公司，廣西 南寧 530031）

【摘 要】鋁擠壓帶板是鋁合金擠壓材料中常見的產品類型，用途廣泛，在建筑、交通領域的用量巨大，也是各鋁合金加工廠常生產的產品。鋁擠壓帶板在生產過程中產品容易產生表面氣泡缺陷，程度輕微時會影響產品外觀，增加工人后續打磨氣泡的工作量，嚴重時會造成產品報廢，降低成材率或增加產品失效風險。文章根據對帶板擠壓生產過程的觀察分析及實驗結果，總結在擠壓過程中氣泡形成的原因，為鋁合金帶板擠壓生產氣泡的問題提供了相應的控制措施。

【關鍵詞】鋁擠壓；帶板；表面氣泡

【中圖分類號】TG379 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）04-0105-04

0 前言

鋁合金擠壓帶板是鋁制品中常見的產品形式，用于建筑、航空、軍工等民用和國防尖端領域。它也是各個鋁加工廠經常生產的產品類型，它的厚度和寬度也有多重規格。擠壓帶板表面產生氣泡，為帶板常見缺陷，氣泡缺陷嚴重影響了帶板的內部結構、外觀及產品性能，程度輕微時會影響產品外觀，增加工人后續打磨氣泡的工作量。嚴重時，降低了成材率或增加了產品失效風險，造成廢品，給生產帶來極大的浪費和損失。特別是2、5、7系硬鋁合金帶板的生產，如果處理不當，極易出現氣泡現象。因此，本文分析了帶板擠壓階段產生氣泡的原因，并針對原因制訂了解決方案，可以減少此缺陷的發生概率，以及降低問題發生后的嚴重程度。

1 氣泡的形態

擠壓帶板表面氣泡如圖1所示，缺陷輕微時會形成連續或不連續的點狀氣泡存在于整支或部分擠壓帶板的表面，常表現為點狀氣泡呈直線排列，氣泡的直徑為1～10 mm。

擠壓帶板表面氣泡如圖2所示，缺陷嚴重時會產生較大的鼓包，如果將其表面一層切開會發現，表層金屬與內部金屬已經分層；或將表皮鑿開，則會露出較深的孔洞或凹陷。

2 氣泡形成的原因

為了證明氣泡的來源，本文以5083鋁合金帶材為研究對象進行分析和查找原因。5083合金在國標中的化學元素（質量分數%）見表1。

查詢此批鑄錠在熔鑄鑄造階段的流槽成分見表2。

流槽化學成分無異常，證明鑄錠是合格無夾雜的。經過擠壓生產之后，將帶材的頭尾部余料上的氣泡部分截取，并對氣泡內表面金屬進行能譜分析，結果見表3。

由表3可知，氣泡中未含有C、O、S、Cl、Ca等雜質，成分與5083合金成分一致，說明氣泡不是由于夾雜物引起，而是由于空氣進入鋁合金內部而產生的氣泡。進而推斷出外部氣體進入金屬表面為鋁合金帶材表面氣泡缺陷的主要成因。因此，將防控的重心放在如何防止外部氣體在擠壓過程中進入材料表面。

擠壓帶板產生表面氣泡主要是由以下幾個因素引起。

（1）擠壓墩粗階段，在擠壓筒內的鑄錠未能得到充分墩粗，導致排氣不完全，殘留的氣體隨著擠壓進入模具中，如果帶板模具內腔角度平緩，則氣體將由鋁合金帶板頭部帶出，形成1個或少數幾個大氣泡。如果帶板模具沒有導流，內腔有較大角度，氣體則會積聚在擠壓死區，難以隨鋁合金快速帶出，則會出現帶板表面長達幾米，甚至整支帶板表面斷斷續續出現呈直線排列的點狀氣泡。

排氣不完全的原因也可能與以下因素有關：①合金變形抗力大，墩粗壓力給予不足。②擠壓比過大，導致帶材在墩粗階段就已經突破工作帶被擠壓出，墩粗壓力未能完全作用于鑄錠的形變而是已經轉化為擠壓力，造成擠壓筒內鑄錠未能完全敦粗。③鑄錠的溫度梯度設置不當，造成鑄錠局部溫度過高，進而在墩粗時造成高溫區變形過大，低溫區變形不足，氣體未能完全排出。④鑄錠直徑太小，與擠壓筒的間隙過大，無法將氣體完全排出，造成排氣不足。⑤在正向單動擠壓機的情況下，鑄錠送入擠壓筒時，鑄錠未能固定在擠壓筒正中間，導致鑄錠截面與擠壓筒上下左右間距不等，在墩粗過程中鑄錠不能發生均勻形變，空氣易積存在某個方向上，進而形成空腔氣泡。

（2）鑄棒擠壓結束后主剪剪切壓余，由于帶板模具導流設計較淺，主剪產生的剪切力將鋁材往后帶出一段，導致壓余與模具內殘鋁分離不良，在模具內腔產生空腔，空腔的氣體進入下一根鑄錠的鋁材中，也會在帶板表面產生氣泡（如圖3所示）。

（3）擠壓所用的鑄棒原料如果表面殼層較厚且凹凸不平，在擠壓墩粗階段中不能完全消除表面缺陷的時候，擠壓筒與鑄錠之間空隙中的氣體進入帶板中，也會產生表面氣泡。

（4）模具設計不合理，特別是導流部分的設計尤為重要。

（5）擠壓所用的鑄棒原料鋁合金在熔煉和鑄造過程中，由于原料、工具、精煉劑等不清潔、干燥不徹底，容易將水（水蒸氣）和氧氣帶入溶體中，鋁和水產生化學反應，產生氧化物、氫氣和游離的氫原子，這就成為鑄錠氫氣的來源。如果鑄錠在精煉階段未能除氫凈化干凈，氫氣則溶于鑄錠內部形成熔鑄氣泡缺陷，氣泡缺陷隨著擠壓加工很可能也帶到擠壓帶材中，氣泡在加熱過程中膨脹，形成極大的壓力，進而形成擠壓氣泡。但由于溶體內氫含量不會很高，一般此原因形成的氣泡不會造成表面分層鼓包等缺陷，而是形成材料內部深層的氣孔、夾雜缺陷，氣孔形狀不會太大且分布并不密集。

（6）擠壓筒內殘鋁過多，與后一根鑄錠原料一起擠出后，2個部分的金屬不能融合，因此產生分層，分層之間也易分離，形成氣泡。因為殘留在擠壓筒內的金屬一般來說量不大，所以氣泡的深度會很淺，甚至不會形成氣泡，而是形成很薄的薄片黏附在排材表面。

（7）擠壓筒內襯刮傷或是擠壓筒內襯漲肚，導致擠壓筒不能和鑄錠緊密接觸，內部氣體在擠壓階段被逐步帶入制品當中，形成氣泡。

（8）鑄錠表面臟污、有油污，或者是擠壓筒內部有油污或潤滑劑，雜質進入帶板內部表面造成分層，形成氣泡。

3 解決方案

（1）對于敦粗不完全所造成的氣泡，可以通過調整擠壓工藝和設備來解決：①增大擠壓墩粗壓力，特別是2、5、7系硬質鋁合金生產中尤為重要，因硬合金變形抗力大，所以需要將擠壓機擠壓墩粗壓力調校至比軟合金大50%左右，才能將鑄錠充分墩粗，在之后的排氣階段充分排氣，能消除或減少帶板表面氣泡。②增加墩粗的次數，通過多次敦粗排氣，相當于增加了墩粗的時間，在擠壓比大的帶材生產中，多次排氣比單純增大墩粗壓力帶來的效果更明顯。③因硬合金帶材擠壓生產速度較慢，鑄錠停留在擠壓筒的時間較長，鑄錠在停留的過程中溫度會趨向頭尾相同，所以在設定鑄錠加熱溫度梯度時，可適當將鑄錠中間的溫度調高，在墩粗的過程中中部高溫區首先變形，將氣體向擠壓桿側及模具兩側排出，防止發生氣體集聚在擠壓筒中間難以排出的情況。而在長時間的生產過程中，鑄錠也能在擠壓筒的熱傳遞中逐漸將鑄錠溫度均衡。④鑄錠直徑原則上越接近擠壓筒內徑則產生氣泡的概率越小，但由于鋁合金鑄錠加熱后會產生熱膨脹，而且還需要考慮鑄錠自身的彎曲度，對于前上料擠壓機型來說，如鑄錠與擠壓筒間隙過小則容易在進料過程中發生刮鋁，因此建議鑄錠和擠壓筒之間至少還需要單邊12 mm的間隙。⑤調整擠壓機送錠設備的高度或行程，使鑄錠在定位時放置于擠壓筒的正中，即鑄錠截面四周與擠壓筒內壁的間隙相等，這樣在墩粗過程中，鑄錠能夠發生均勻地形變，形成鼓型墩粗，氣體在排氣階段易從擠壓墊的間隙及擠壓筒與模具之間的縫隙排出，不會造成氣體的集聚。

（2）合理制定壓余厚度，過厚的壓余會增加主剪帶出殘鋁的長度，過薄的壓余則會增加縮尾夾雜進入產品的風險，也不利于生產效率的提高。合理的壓余厚度可以改善主剪剪切口的效果，防止主剪剪切力將帶板向后拉扯，導致剪切切面不平整。一般壓余厚度控制在60～120 mm為宜。

（3）對于有導流的帶板模具，導流形狀可以設計成沿著擠壓鋁流的方向喇叭口。對于2、5和7系硬合金擠壓帶板，盡量不用擴展擠壓，如果在擠壓比太大的情況下，擴展角度也要≤30°，減小金屬在模腔內流動的角度，防止擠壓死區的產生，避免出現斷斷續續呈直線排列的點狀氣泡的情況。

（4）在鑄錠熔鑄階段加強對金屬熔體的精煉，采用高效率的除氫精煉設備進行除氣，具體的方法有增加通惰性氣體的時間和增加惰性氣體的排量等。每次鑄造前在流槽進行多次的氫含量檢測，保證熔體中的氫含量達到要求的低水平。鑄造過程保持環境干燥，盡量避免在潮濕、陰雨天氣鑄造硬合金鑄錠。投入返回廢料時，建立嚴格的廢料返回制度，保證廢料中的雜物、積水不混入熔煉爐中，特別是以鋁屑為主的廢料中經常含有切削液、冷卻水等，嚴重影響了原料的質量。如果計劃鑄造高質量的鑄錠，要少投或不投含雜質多的返回料，或是烘爐烘干爐內水蒸氣，從源頭上防止水分進入。

（5）控制鑄錠原料的表面質量，避免鑄錠表面產生較大的缺陷，在生產之前，對鑄錠表面進行檢查，防止鑄錠表面有超過2 mm的凹凸、孔洞；對鑄錠進行清理，如有必要，必須對鑄錠進行車皮加工，將表皮冷隔、金屬瘤、殼層等缺陷消除，并且保證鑄錠表面沒有灰塵、雜物、油漬等。

（6）定期清理擠壓筒和擠壓墊，不同合金生產之前必須清理擠壓筒內部，進行一次或多次清筒操作，將殘鋁和雜質的影響去除。

（7）定期對擠壓筒內襯內壁進行檢查，如果發現漲肚、明顯刮傷等缺陷，盡快將內襯拆下，進行機加工車內圓處理或者對內襯進行更換。

（8）油性脫模劑為有機物，遇熱容易分解，形成CO、CO2、SO2等氣體，而且脫模劑中的石墨進入金屬當中會形成非金屬夾雜，導致金屬分層，因此在生產中應盡量減少使用油性脫模劑等對擠壓筒內腔、擠壓墊工作帶、主剪剪切刃部分進行潤滑。即使非要潤滑擠壓墊時，也要防止潤滑劑進入擠壓筒內部。

4 結語

（1）在鋁合金擠壓帶板生產中產生氣泡缺陷的原因，除了本文列舉的之外，還有其他各種特殊情況使氣體進入制品中，特別是擠壓設備形式多種多樣，還存在反擠壓、雙動擠壓、立式擠壓等多種生產形式，而本文的生產經驗只局限于正向單動擠壓生產，還具有一定的局限性，還需要現場操作人員和管理人員在生產中仔細觀察分析生產設備、生產工藝，深層次地發掘其潛在的原因，徹底防止產品表面氣泡缺陷的產生。

（2）經過對解決方案的實踐，廣西南南鋁加工有限公司生產的大量2、5和7系硬合金擠壓帶板，一次加工成品率提高了21%，降低了后續加工的成本，提高了生產效率，降低了生產成本，打開了擠壓板帶材市場。

參 考 文 獻

[1]劉海江，黃晶，周德欽，等.7075鋁合金厚板表面氣泡原因的分析[J].輕合金加工技術，2005（8）.

[2]王鳳春.2A14鋁合金棒材表面氣泡的分析[J].輕合金加工技術，2015（2）.

[3]王日益，郭建峰，韋海弟.光電直讀光譜儀在鋁合金分析中的應用研究[J].企業科技與發展，2014（11）.

[責任編輯：陳澤琦]

【作者簡介】來臨，男，廣西南寧人，廣西南南鋁加工有限公司助理工程師，從事鋁型材生產管理工作；趙茂密，男，廣西上思人，廣西南南鋁加工有限公司工程師，從事鋁型材生產工藝設計工作；李飛龍，男，廣西梧州人，廣西南南鋁加工有限公司工程師，從事鋁型材擠壓模具設計、研發工作。