鋁合金空心型材擠壓焊合問題的研究進(jìn)展

羅銘強(qiáng)，鄭健全

（廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山 528300）

平面中分模的原理是實(shí)心錠在擠壓中力的作用下，鋼錠通過開孔時(shí)會(huì)被分成多個(gè)金屬流。然后在高溫、高壓、高真空的焊接室內(nèi)重新焊接。最后，通過模芯與下模之間的間隙，滿足尺寸要求的管材或空心型材。分模擠出具有生產(chǎn)效率高、周期短、能生產(chǎn)出截面復(fù)雜、壁厚差大的型材等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了迅速發(fā)展。廣泛應(yīng)用于無獨(dú)立沖孔系統(tǒng)的擠出機(jī)上，生產(chǎn)不同種類的普通和軍用空心型材。但是，平面分流模的擠壓也存在一些缺點(diǎn)。在“錠對(duì)錠”不中斷擠壓下，采用中分模擠壓的鋁合金空心型材既有縱向焊縫，也有橫向焊縫方式。縱縫位于分流器大剪應(yīng)變區(qū)下，其位置取決于出鐵口布置。這種結(jié)構(gòu)方式在正極氧化后極會(huì)出現(xiàn)織構(gòu)或異常晶粒尺寸區(qū)域（如再結(jié)晶晶粒），橫向焊縫是不間斷的兩個(gè)擁擠的之間的接口，其焊接過程包括高溫壓力焊接和剪切接觸[4]。鋁合金結(jié)構(gòu)型材作用失效的地方通常出現(xiàn)在焊接界面處，而不良的焊縫往往沒有孔洞，因此使用無損檢測技術(shù)難度很大，這較大的限制了中分模的使用。

1 擠壓焊縫的形成

1.1 橫向焊縫

橫向焊縫的焊接機(jī)理涵蓋兩個(gè)配合面和高溫高壓塑料作用下的氧化層變形。因?yàn)榻佑|面粗糙的原因，部分空氣會(huì)進(jìn)入焊縫中。隨著擠壓壓力的增加，越來越多的表面會(huì)出現(xiàn)接觸的情況，一般情況下氧化層塑性會(huì)比母材低。因此，在大的塑性變形條件下，氧化層會(huì)被分解成分離的氧化物顆粒。然后，全新的基體金屬會(huì)進(jìn)入破碎的氧化物顆粒間的地方，形成接觸。最后實(shí)現(xiàn)了高壓下的橫向焊接。橫向焊縫多出現(xiàn)在新毛坯和壓坯前的接觸面上，實(shí)質(zhì)上是兩個(gè)不間斷擠壓錠間分開的地方。橫向焊縫在空心型材中通過擠壓的方向會(huì)出現(xiàn)“舌”狀或“拋物線”狀，型材剖面上的截面形狀會(huì)很久擠壓物品的長度發(fā)生改變。拋物線頂部的焊接質(zhì)量最低，型材頭部應(yīng)報(bào)廢（連續(xù)產(chǎn)品除外，如卷材生產(chǎn)）。橫向焊縫是將新的鑄錠材料擠壓到原來的鑄錠中而產(chǎn)生的，因此橫向焊縫的技術(shù)術(shù)語是“裝藥焊縫”。橫向焊接通常發(fā)生在鑄錠對(duì)鑄錠擠壓或帶導(dǎo)腔的分模擠壓中。

1.2 縱向焊縫

縱向焊縫是劈裂后材料在焊接室內(nèi)重新組合形成的結(jié)合面，其位置一般固定在模橋下。縱向焊縫是分流焊擠壓制品的重要特征。由于這種焊縫總是存在于型材的長度方向上，所以其專業(yè)術(shù)語為“縱向焊縫”，而縱向焊縫只存在于中分模擠壓中。

2 模具結(jié)構(gòu)及擠壓工藝對(duì)焊合質(zhì)量的影響

組合模結(jié)構(gòu)復(fù)雜，全過程在封閉擠壓生產(chǎn)環(huán)境中。直接研究型腔內(nèi)金屬的成形過程是一個(gè)難點(diǎn)。因此，模具型中金屬移動(dòng)和焊縫成形的實(shí)驗(yàn)也很有限。在這樣的影響下，依靠有限元技術(shù)的數(shù)值模擬方法已成為顯示金屬在型腔中流動(dòng)和計(jì)算焊接參數(shù)不可缺少的手段。采用有限元方法研究了預(yù)熱溫度、工作帶長度、型材壁厚和擠壓比對(duì)鋼錠焊接壓力和表面缺陷的影響。通過脹形實(shí)驗(yàn)研究了工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，隨著擠壓比、鋼錠預(yù)熱溫度和工作帶長度的增加，焊接壓力增大。當(dāng)工作帶較短時(shí)，在擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)條件下，焊接接頭的膨脹率最低，即焊接強(qiáng)度差；隨著坯料預(yù)熱溫度的增加，在成形表面上形成焊縫缺陷的概率降低。工作帶長度越短，形成焊縫的可能性越小。固定擠壓比，改變型材厚度，型材表面缺陷（焊縫）變化不大。采用新型鋼，以焊縫為中心的方法，研究了模具結(jié)構(gòu)對(duì)焊接質(zhì)量的影響[5]。結(jié)構(gòu)變量是進(jìn)料板的尺寸、焊接室的高度、坯料的預(yù)熱溫度和擠壓速度。以非焊接樣品的強(qiáng)度和等效斷裂應(yīng)變作為評(píng)定焊接質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)結(jié)果得出，送樣板孔徑越大，擠壓速度越快，焊接壓力越大。改變送樣板的尺寸和焊接室的大小可以使型材的性能達(dá)到更高的標(biāo)準(zhǔn)，但擴(kuò)大焊接室的大小能夠?qū)π筒牡暮附淤|(zhì)量得到提高。焊接質(zhì)量更高，斷裂應(yīng)變?cè)酱?，因此裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)可以更好地表征焊接質(zhì)量。

通過改變焊接腔的高度、不間斷焊接面面積和模橋形狀的方法，說明了焊接接頭表面壓力和樣品數(shù)據(jù)的關(guān)系[6]。結(jié)果表明，隨著焊接室高度的增加和不間斷焊接表面減小接觸面積和增大焊接壓力有利于提高焊接質(zhì)量。焊接室高度的增加和焊接角的減小都會(huì)提高焊接接頭的質(zhì)量。

對(duì)焊接過程的有限元模擬做了更詳細(xì)的工作。采用改進(jìn)網(wǎng)格法的二維有限元模擬了分體擠壓的全焊接過程，即空模擠壓和鑄錠對(duì)鑄錠擠壓的方法。在空模擠壓過程中，擠壓焊接的形成過程是兩種金屬在擠壓力作用下的對(duì)接焊接；在鋼錠連接的情況下，形成擠壓焊縫的金屬來自最后一個(gè)擠壓鋼錠的殘余，焊縫處的殘余金屬量隨著長度的增加而減少特別是當(dāng)模橋下緣為矩形過渡時(shí)，殘余金屬始終存在于焊縫處，最終形成的結(jié)論與文獻(xiàn)一致。

分別采用變形二維、矩形和三角形模具的尺寸和橋下的材料流動(dòng)、應(yīng)變速率和拉伸面積進(jìn)行比較。根據(jù)結(jié)果可以得出，倒三角模橋結(jié)構(gòu)在焊接室高度方向的應(yīng)變速率為V形，矩形模橋結(jié)構(gòu)在焊接室高度方向的應(yīng)變速率為X形。倒三角模橋結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)變率和最大拉伸面積更接近模橋下端，所以時(shí)間的較長的時(shí)間可以讓死區(qū)更小，對(duì)焊接會(huì)有更大的作用。

利用二維有限元模型演示了分流孔截面不均勻?qū)饘倭鲃?dòng)和焊接數(shù)據(jù)的影響，將模橋從中心向一側(cè)移動(dòng)。結(jié)果表明，隨著分流孔面積差的增大，焊接表面發(fā)生了較大的變形，分流孔面積越小，相應(yīng)的金屬流動(dòng)速度大約為零，這改變了焊接機(jī)理和死區(qū)的流動(dòng)分布區(qū)域。研究得出的結(jié)論對(duì)橫向焊縫的形成賦有不可替代的意義。通過對(duì)橫向焊縫成形過程的模擬，指出增大焊接室底角有利于減小橫向焊縫長度。比較用虛擬仿真方法研究了平行焊縫擠壓過程。

通過軋制壓下量的變化模擬了焊接室高度對(duì)焊接壓力的影響，并考慮了軋制溫度與金屬流動(dòng)的關(guān)系。軋制試驗(yàn)表明，提高焊接室高度和焊接溫度有利于提高焊接質(zhì)量。

在Gleeble熱模擬機(jī)上模擬了不同模橋形狀和表面接觸條件下縱向焊縫的形成過程，得到了各種焊接缺陷及相應(yīng)的焊接組織，有利于補(bǔ)充縱向焊縫的固態(tài)焊接理論[7]。

3 焊合問題的最新研究進(jìn)展

現(xiàn)如今，國內(nèi)外的研究工作大部分是在鋁釬料擠壓生產(chǎn)能力上。近五年來，外國學(xué)者對(duì)這一問題的研究已擴(kuò)增到對(duì)航空用鋁型材焊接質(zhì)量的更為詳細(xì)的研究、型材切割長短的精確計(jì)算和焊接質(zhì)量力學(xué)性能的表征等方面，使得生產(chǎn)效率大大提高隨著數(shù)值模擬技術(shù)的推廣，對(duì)鋁合金空心型材擠壓加工方法的認(rèn)識(shí)不斷加深，分體擠壓產(chǎn)品的適用范圍更加廣闊。國外學(xué)者提出的“蝴蝶模型”觀點(diǎn)是這個(gè)研究得出的結(jié)果最好的表現(xiàn)，福薩諾娃、almax Mori等公司的進(jìn)一步發(fā)展得到了大多數(shù)歐洲客戶的廣泛認(rèn)可和采納[8]。這種模具的分流橋比傳統(tǒng)分流模的分流橋低，用于減小擠壓力，使模具使用時(shí)間更長，改善金屬移動(dòng)的勻稱性。分流橋設(shè)計(jì)成彎曲的弓形，使模具橋下金屬的移動(dòng)發(fā)生了改變，更為高效的減少了死區(qū)的出現(xiàn)，改善了焊接組織和性能。在此基礎(chǔ)上，提出了“表面加寬”理論，從實(shí)驗(yàn)方面進(jìn)一步完善了焊接規(guī)范。

隨著我國高速鐵路和航空行業(yè)的快速發(fā)展，由于中分模擠壓在空心型材生產(chǎn)中具有不能被其他東西所代替的優(yōu)勢，鋁合金型材的使用地方逐漸從普通群眾的使用擴(kuò)展到工業(yè)和國防。特別是對(duì)結(jié)構(gòu)型材和耐腐蝕型材的強(qiáng)度要求越來越高，所以擠壓焊接被視為制約型材力學(xué)性能和耐腐蝕性能較差的地方，應(yīng)改變對(duì)其的看法。然而，我國鋁型材擠壓行業(yè)具有規(guī)模大、產(chǎn)量高的特點(diǎn)，其生產(chǎn)的目的是生產(chǎn)普通建筑和裝飾型材[9]。長期以來，忽視了高精度、質(zhì)量較高的鋁合金型材的研究和生產(chǎn)。關(guān)于鋁合金焊接組織和力學(xué)性能的研究幾乎是空白，對(duì)新型模具（如蝶形模具）的認(rèn)識(shí)和發(fā)展基本概念處于空白狀態(tài)，極大地制約了鋁擠壓工業(yè)的發(fā)展和工業(yè)與國防的進(jìn)步。為提高空心鋁型材擠壓焊接質(zhì)量，應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：①繼續(xù)開發(fā)數(shù)值模擬平臺(tái)和物理模擬手段，并從模具結(jié)構(gòu)與焊接接頭顯微組織的關(guān)系出發(fā)，深入研究了組織對(duì)焊接質(zhì)量的影響；②大力發(fā)展和應(yīng)用蝶形模具；③建立鋁型材焊接質(zhì)量的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)定力度，是鋁型材力學(xué)性能的表征方法[10]。