6063薄壁管材彎曲中起皺斷裂行為的探究

蔣福利

（廣東華昌集團有限公司，廣東佛山 528225）

鋁合金密度低、強度好、塑性好，可加工成各種型材，具有良好的導電性、導熱性和抗蝕性，廣泛應用于生活中的各方面，桌子、椅子等所用鋁合金彎管一般采用冷彎管來完成。鋁合金管在彎管加工時，在外力作用下管件做純彎曲變形，管子的外側(cè)受拉應力作用，管壁變薄，內(nèi)側(cè)管壁受壓應力作用，管壁變厚，彎管處橫截面形狀由原來的圓形變?yōu)闄E圓形，外側(cè)管壁會產(chǎn)生裂紋內(nèi)側(cè)管壁會收縮產(chǎn)生褶皺，當變形量過大時，彎管過程中會發(fā)生斷裂，從而影響彎管的質(zhì)量，造成材料的浪費。

不過目前也有人提出彎管加工過程中，為了避免鋁合金彎管出現(xiàn)裂紋，采用先彎管再時效處理的過程，鋁合金彎管后形狀變?yōu)椴灰?guī)則形，從而造成在后期進行時效處理時在時效爐內(nèi)彎管堆放浪費空間，而且不規(guī)則的彎管在擺放過程中會導致彎管表面被擦劃傷，對產(chǎn)品質(zhì)量影響很大。

為了解決上述鋁合金圓管型材彎管出現(xiàn)裂紋、斷裂、褶皺等影響彎管質(zhì)量的問題，本文嘗試從圓管鑄棒工藝、模具結(jié)構(gòu)、擠壓工藝、時效工藝、彎管加工工藝等環(huán)節(jié)入手，提供一種解決鋁合金彎管質(zhì)量問題的方法。

1 生產(chǎn)準備

本次選擇Φ90mm規(guī)格的6063 鋁合金鑄錠，擠壓5#機（600T），圓管型材編號Y25X1（見圖1），管材壁厚1.0～1.15mm，壁厚均勻度±0.05mm；采用單模孔擠壓模生產(chǎn)，模具編號Q01528、Q01529。

圖1 Y25X1斷面圖

2 鑄棒工藝

設(shè)計合金化學成分見表1。

表1 6063鋁合金化學成分

具體細節(jié)控制要求如下：

a、氫含量小于0.20；

b、加強精煉，溫度730-740℃，優(yōu)質(zhì)精煉劑用量2.5kg/噸，精煉2次每次13～15min，精煉要消滅死角；

c、加強攪拌，攪拌時間每次8 分鐘，促使熔體成分均勻；

d、熔煉爐、靜止爐必須連續(xù)生產(chǎn)10 爐以上方可生產(chǎn)；

e、流槽、分流盤必須烘烤5～6小時方可鑄造；

f、鑄造開始后迅速加覆蓋劑覆蓋，減少二次氧化造渣；

g、雙轉(zhuǎn)子除氣爐必須連續(xù)生產(chǎn)10 爐后方可生產(chǎn)；

h、精煉后液體氫含量0.25 以下方可出爐，如大于0.25繼續(xù)精煉；

i、雙轉(zhuǎn)子除氣爐采用高純99.999%氬氣精煉；

j、采用560℃X5 均質(zhì)工藝，出爐空冷到200℃然后水冷至常溫。

經(jīng)過上面嚴格控制，得到滿足要求的高純度優(yōu)質(zhì)鑄錠，晶粒度超一級且組織成分均勻。

3 擠壓工藝

為了得到組織均勻且晶粒細小的擠壓制品，本次選用1010同一爐號鑄棒來進行各種不同工藝參數(shù)的生產(chǎn)試驗。

3.1 擠壓溫度對產(chǎn)品組織的影響

擠壓溫度對圓管的組織和性能影響較大。在擠壓時存在變形熱和摩擦熱。一般來說，金屬在塑性變形時的變形能85%～90%轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋Ｅc其他壓力加工方法相比，擠壓時的一次變形量較大，而強烈的三向壓應力狀態(tài)又會使金屬的變形抗力增加，此外擠壓時鑄錠金屬與擠壓筒、模具之間的摩擦也產(chǎn)生較多熱量，摩擦熱包括模孔部分、擠壓筒部分，后者又與鑄錠剪切長度成正比，因此在擠壓時產(chǎn)生的附加熱量是很大的，它可以使錠坯溫度上升幾十度，從而對制品的組織和性能產(chǎn)生一定的影響。

隨著出料口溫度升高，產(chǎn)品的晶粒度變大。因為在相同的擠壓速度條件下，溫度越高，再結(jié)晶完成的時間越短，晶粒長大時間就更長，溫度更高，晶粒長大速度將更大。因此出料口溫度越高，晶粒越粗大。

3.2 擠壓速度對產(chǎn)品組織的影響

擠壓速度與圓管組織、性能之間的關(guān)系主要是通過影響金屬的熱平衡來體現(xiàn)的。擠壓速度低，金屬熱量散發(fā)的多；擠壓速度高，熱量來不及散發(fā)，可能形成絕熱擠壓過程使金屬的溫度不斷升高。一般情況下擠壓速度越快，則金屬溫升越大。

同時擠壓產(chǎn)品從模具擠壓出來到冷卻淬火的時間也越短，也就是說晶粒長大的時間也就越短。

鑄錠加熱到固溶溫度以上，并進行適當晾棒后擠壓，并不是出料口溫度越高越好也不是出料口溫度越低越好，而是控制在一定的合理區(qū)間最佳，確保不降低產(chǎn)品力學性能的前提下盡量抑制產(chǎn)品晶粒度的長大。

說明合理的鑄棒溫度和擠壓速度搭配十分重要，本次Y25X1 生產(chǎn)棒溫采用505-515℃、擠壓速度6～9m/min、出料口溫度控制515～530℃、穿水生產(chǎn)。

4 時效工藝

為了平衡裂紋、斷裂、褶皺之間的矛盾，要求產(chǎn)品不但需求較高的抗拉強度又要具備較高的延伸率，通過前面擠壓工藝固溶淬火后得到的半成品需要制定合理的時效工藝來實現(xiàn)高強度、高延伸率的目標。本次Y25X1 圓管壁厚偏薄，特采用“手鉗韋氏硬度＋彎曲加工結(jié)果”相結(jié)合的方式來比較不同時效工藝之間的優(yōu)劣。

合金的強化效果與時效溫度和時間有著密切的關(guān)系，提高時效溫度可以加快時效過程，但會使強化效果降低，并使軟化開始時間提前。時效溫度過高，例如高于200℃時，將由于強化相質(zhì)點的聚集和穩(wěn)定相的形成，而使合金軟化。較低的時效溫度可以獲得較大的時效效果，但所需時效時間較長。一定的時效溫度要和一定的時效時間相配合，才能得到滿意的強化效果。時效時間過長，也將使合金時效過度，強化效果降低，甚至產(chǎn)生軟化，這種影響在時效溫度較高時更為明顯。時間過短，將使合金時效不足，也會降低強化效果。

基于以上基本時效理論，本次生產(chǎn)制定三種時效工藝“155℃X8h、165℃X8 h、175℃X8 h”，每組取樣50支1.5米隨車間大爐時效，出爐檢測手鉗韋氏硬度并拿到客戶加工廠進行彎曲加工試驗。具體結(jié)果見表2。

表2 時效工藝對Y25X1圓管彎曲性能的影響

表2 試驗數(shù)據(jù)說明采用165℃X8h 時效工藝制度，硬度控制在手鉗韋氏硬度13-14 之間，Y25X1 圓管具有高強度高延伸率，綜合物理性能優(yōu)良。

5 彎管加工工藝

彎管試驗在客戶數(shù)控彎管機上進行，彎曲角度為150°。針對試驗中產(chǎn)生的彎管內(nèi)側(cè)起皺現(xiàn)象，對比分析了相對彎曲半徑R/d 和相對壁厚t/d 對起皺的影響。其中d 為圓管直徑，t 為圓管實際壁厚，R 為彎曲加工圓弧半徑。

5.1 相對彎曲半徑對彎管起皺的影響

通過現(xiàn)場彎管試驗發(fā)現(xiàn)，隨著相對彎曲半徑R/d增大，彎管起皺的趨勢明顯減弱。當R/d=3.0 左右時，內(nèi)側(cè)嚴重起皺，褶皺呈現(xiàn)波浪狀，皺峰附近型材明顯的擦痕。薄壁圓管在相對彎曲半徑較小的條件下彎曲時，局部壓縮變形過大導致內(nèi)部材料塑性變形受阻，在強烈的切向應力作用下，引起失穩(wěn)褶皺。由于圓管在彎曲加工過程中是局部位置連續(xù)性塑性變形，一旦圓管已變形區(qū)發(fā)生了失穩(wěn)褶皺，因硬化而阻止變形區(qū)金屬流動，隨著彎曲繼續(xù)進行，便會形成連續(xù)規(guī)則的波浪狀褶皺。所以，我們建議客戶增大相對彎曲半徑R/d值（≥4），可以明顯緩和圓管彎曲內(nèi)側(cè)起皺概率，現(xiàn)場實際彎曲試驗同時也驗證了此建議確實可行。

5.2 相對壁厚對彎管起皺的影響

為了檢驗圓管相對壁厚t/d 對彎曲起皺的影響，分別將t/d=1.0/25、t/d=1.1/25、t/d=1.2/25、t/d=1.4/25的6063 合金圓管在相對彎曲半徑R/d=3 彎曲角度150°條件下進行彎曲。

試驗數(shù)據(jù)證明圓管相對壁厚t/d對彎管起皺有一定影響。當相對彎曲半徑R/d 減少時可以增大相對壁厚t/d值可以有效減輕圓管彎曲起皺概率。

另外我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過現(xiàn)場大量彎曲加工試驗，管材彎曲過程中，彎管橫截面通常會發(fā)生一定程度的扁平化變形，其中沿長度方向的變化可能也與模具間隙有關(guān)，猜想彎曲加工時模組與圓管之間的間隙除了引起長度方向的畸變外，可能對彎管內(nèi)側(cè)起皺也有一定的影響。

6 結(jié)論

（1）選用高純度優(yōu)質(zhì)鑄錠是實現(xiàn)材料加工的前提，熔鑄鑄棒工藝細節(jié)控制是鋁材制造的基礎(chǔ)。

（2）合理的鑄棒溫度和擠壓速度搭配十分重要，本次Y25X1 生產(chǎn)棒溫采用505-515℃、擠壓速度6～9m/min、出料口溫度控制515～530℃、穿水生產(chǎn)。

（3）采用165℃X8h時效工藝制度，硬度控制在手鉗韋氏硬度13-14 之間，Y25X1 圓管具有高強度、高延伸率，綜合物理性能優(yōu)良

（4）相對彎曲半徑R/d 和相對壁厚t/d 的合理搭配對減輕圓管彎曲加工起皺現(xiàn)象大有裨益，另外也要考慮彎曲加工用的模具模組與圓管之間的間隙對彎管內(nèi)側(cè)起皺也有一定的影響。

（5）此外，擠壓模具設(shè)計制造也對彎管出現(xiàn)裂紋、斷裂、褶皺具有一定程度的影響，任何鋁合金熱擠壓成型都離不開優(yōu)秀的模具設(shè)計制造支撐，由于涉及因素較多本文不做詳述。