關于空心鋁型材焊合問題改善措施的探討

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，由于采用分流組合模生產，產品就不可避免地存在焊合問題。采用分流組合模生產的產品，切短的鑄錠通過分流孔后被分成幾股金屬，分開的金屬在焊合室內被重新焊合為整體，因此在擠出的產品中，從頭至尾貫穿存在著縱向的焊縫，如果產品存在焊合不良，不僅會影響產品的機械性能，同時增加了產品后續折彎開裂的風險。

本文對焊合不良產品的產生原因進行了討論，并針對生產現場實際情況，提出了解決擠壓型材焊合不良問題的幾點措施。

1 焊合不良產生的原因分析

關于分流組合模擠壓焊縫形成機理，人們尚未完全了解，由于擠壓過程是金屬在結構復雜的封閉環境中進行的，無法直接對金屬擠壓變形過程進行研究，大多數研究還是以計算機仿真模擬為主，進而了解金屬在模具分流孔及焊合室內的流動情況，從而探究焊縫形成的機理。

中南大學林高用[1]等利用Deform3D軟件對方形擠壓材的焊合過程進行研究，將擠壓焊合過程分為墩粗、分流、焊合、穩定擠壓等階段，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]等在細觀塑性力學的基礎上，建立焊合空洞演化模型，將分流擠壓焊合過程分為金屬初始接觸、空洞閉合、界面消失三個階段，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，隨后在再結晶晶粒長大過程中空洞界面消失。馮迪[3]等對鋁合金分流模擠壓焊合問題進行了研究，文中提出了粘著摩擦條件下的剪切機制、滑動摩擦條件下的焊合機制兩種縱向焊縫形成機制。

結合文獻資料，本文對分流模擠壓縱向焊縫形成過程進行了分析，初步認為，由于焊合壓力不夠、焊合時間太短、雜質異物、氣泡等原因造成分流橋下兩金屬接觸面無法達到緊密連續狀態，是造成焊合不良的根源。

（1）焊合壓力不夠。模具設計中的模具厚度不夠、分流孔過大、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；擠壓機臺排產不合理，較小的擠壓比，也會導致擠壓力小，從而無法保證焊合壓力。

（2）焊合時間太短。擠壓速度過快或焊合室深度太淺，導致金屬在焊合室內停留時間太短，造成焊合效果不良。

（3）雜質異物。鑄錠表面質量不好、模具內腔表面有臟污、擠壓墊潤滑采用石墨油、壓余長度過小等原因，造成金屬夾雜，從而影響焊縫質量。

（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，從而影響焊縫質量。

2 焊縫質量評價方法

研究資料表明，目前焊縫質量的好壞評價標準有堿洗低倍焊縫檢測（GB/T 3246.2—2012）、破壞實驗檢測（軌道交通行業）、力學對比實驗等方法。北京有色金屬研究總院程磊[4]等提出了用參數K來評價分流組合模擠壓型材的焊合質量，K值為焊合面上的平均靜水壓力與金屬屈服強度的比值，提出K值大于1，就可以認為產品能完好焊合，比值越大，焊合質量就越好。國內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的焊合評價方法，但大都停留在數值模擬階段，離指導實際擠壓尚有距離。

目前，用于生產中的焊縫質量評價方法主要有焊縫低倍檢測、擴口實驗、折彎實驗、力學性能對比實驗等，焊合質量評價標準分別為：低倍組織無明顯黑線、開裂，擴口、折彎實驗焊縫斷口為鋸齒形貌，力學性能對比實驗焊縫區域與母材對比相同時（或＞90%），可判定該焊縫合格。

3 焊合不良常見改善措施總結

3.1 評審擠壓機的選擇，合理確定擠壓比范圍

大多數鋁合金擠壓生產廠家，在簽訂設備采購合同前，需對所需采購的產品進行評審，一般包括技術評審、成本分析、交期評價等方面，其中技術評審包含擠壓機臺的選擇、模具規格的確定。擠壓機臺的選擇依據是產品尺寸大小（確保前梁出口無阻礙）、產品面積大小（確保擠壓比合適）、擠壓成品率等方面，空心型材采用分流模擠壓，為保證焊合質量，擠壓比一般控制在20以上，對于工業用空心鋁擠壓型材建議擠壓比選擇在30～60之間為宜。

3.2 焊合不良統計數據分析

在生產中，出現焊合不良時，應對該產品焊合不良情況進行統計，根據統計結果分析可能產生問題的原因。焊合不良統計時，一是先根據產品焊縫圖紙對焊縫位置進行編號，方便統計每個產品出現異常的焊縫位置信息；二是同一根鑄棒頭尾分別取樣，頭端可以根據模具焊合腔內的含鋁量計算出最短切頭長度，依次每隔半米取樣驗證，尾端依據淬火裝置到前梁模具工作帶位置之間的距離，確定最短切尾長度，一般鋸切3～5根鑄錠壓出產品即可。根據統計結果，如頭尾低倍結果都不合格，一般情況下需改善對應焊縫位置的模具結構；尾端合格，頭端焊縫位置出現黑線，通常將對應分流橋進行沉橋處理；尾端合格，頭端部分位置出現舌形/拋物線形黑線、分層以及焊縫明顯加粗等情況時，需增加切頭長度，將頭端橫向焊縫切除（也叫重疊區）；尾端合格，頭端下部位置焊縫出現焊合不良時，可在線觀察壓余剪切情況，此種情況多數是鑄錠尾端壓余剪切效果不好，造成模具分流孔內有縫隙，從而導致排氣不良所致。

3.3 模具結構優化改進

分流組合模的模具結構、焊合室深度和面積、分流橋形狀等參數是影響空心型材焊合情況的關鍵參數，在生產中60%以上的焊合問題與模具有關。模具結構目前比較流行的是蝶形模（圖1），該型模具的分流橋與傳統分流模相比較低，用來減小突破擠壓力，延長模具壽命的同時增加金屬流動的均勻性，分流橋設計為彎曲的弓形，改善了模橋橋下金屬的流動，有效限制了死區的形成，提高了焊合組織性能；目前車體用寬扁空心型材一般采用入口沉橋含料寬展模具結構（圖2），入口沉橋含料結構能較好地避免剪切壓余時將鋁從分流孔內帶出，如果帶出，擠壓填充金屬時存有的氣體會對制品焊合質量造成影響。焊合室的形狀是分流組合模設計的一個重要參數，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，主流的設計截面為水滴形，其有利于金屬的流動與焊合。

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構示意圖

3.4 擠壓工藝控制

針對空心型材焊合質量，除模具是主要影響因素外，擠壓工藝參數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、切頭長度等工藝參數，以及焊合壓力、焊合時間等過程參數均對焊合質量產生影響。擠壓比增大，同樣擠壓工藝條件下可以避免焊合不良，同一個產品擠壓比越大所需要的擠壓力越大，同時模具焊合室內的焊合壓力就大，焊合效果就好；擠壓速度越慢，金屬在焊合室內停留時間越長，越有利于焊合，但實際速度選擇應與擠壓溫度、產品表面質量等相匹配；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，金屬變形抗力小，擠壓力小，對應的焊合壓力就低，這對焊合起消極作用。6系工業鋁型材分流模擠壓，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 提升焊合質量檢測效率與細化擠壓過程控制

傳統焊縫質量檢測，按照標準要求一般是2%的比例抽檢，試樣隨產品擠壓鋸切后送檢測部門檢測，這樣勢必存在焊縫檢測的滯后性，極易出現焊合不良情況。隨著對鋁型材質量要求的不斷提高，在生產車輛用型材時，焊縫檢測比例已達到100%甚至200%，為確保焊合質量，許多廠家已將焊合檢測室移至擠壓現場，由擠壓班組自行泡堿洗，在線檢測焊縫情況，從而更迅速地判定焊合質量。

焊合質量的好壞與擠壓過程的細化同樣存在著較大聯系，鑄棒的內部缺陷易出現在空心型材的焊縫上，應嚴控鑄棒質量，避免裂紋、夾渣、氣泡等缺陷是控制焊合不良的前提；擠壓墊潤滑目前常用的有氮化硼直接潤滑擠壓墊、鑄錠尾端涂抹氮化硼、乙炔潤滑、鹽水潤滑等，短棒、長感應爐加熱時，分流模擠壓應避免鑄錠尾端涂抹氮化硼；壓余剪剪切效果不好時，應避免采用石墨油潤滑的措施，否則容易帶雜物到擠壓筒中，進而影響焊合質量；應合理設計壓余剪結構，調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縫隙存在而造成焊合異常；必須嚴格落實擠壓筒清筒要求，更換合金或定期清理擠壓筒，避免筒內氧化皮帶入分流孔內，建議采用厚度為20～30 mm的鋼板，按照筒徑×（1.005～1.007）的比例來加工清缸墊，可冷態直接清筒，使用效果良好。

4 結論

（1）分流模擠壓空心鋁型材，不可避免地存在橫向、縱向焊合的問題，適當選擇擠壓比大的擠壓機進行生產，有利于焊合質量的保證。

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

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