軌道交通用6005A合金復雜斷面生產工藝

王少鵬，于金鳳，王 琪，曲兆金，李 慶

（龍口市叢林鋁材有限公司，龍口 265705）

0 前言

根據高速列車運行數據的統計結果，型材拼焊越多，變形越大。為了減少型材拼焊所造成的車體變形，列車制造企業要求減少車體頂棚、側墻、底板等大部件的焊縫數目。如車體頂棚由原來的7塊型材減少為5塊進行拼焊，這樣的要求使得車體型材的截面尺寸和形狀復雜性進一步增加，型材呈現出更為扁寬、薄壁、多腔的截面形狀特點。大規格一般是指長20 m 以上，寬300 mm 以上的鋁型材；大壁厚差一般是指型材最厚處和最薄處的尺寸比例大于5 的型材。這種型材使用時多采用攪拌摩擦焊，對型材之間的對接焊間隙提出嚴格的要求。這種擠壓寬展比、型材寬厚比和壁厚差較大的車體型材生產難度較大，因此對型材的生產工藝提出更為嚴格的要求。

1 問題說明

型材截面圖如圖1所示，要求平面間隙≤0.8 mm，縱向間隙≤1 mm/m；縱向彎曲度≤0.5 mm/m，全長≤2 mm；扭擰度要求≤0.5 mm/m，全長≤2 mm。力學性能要求抗拉強度≥250 MPa，屈服強度≥200 MPa，延伸率≥6%。型材壁厚差較大，最大壁厚30 mm，最小壁厚2.5 mm，寬厚比9。在實際生產過程中，此類型材存在波浪嚴重、側彎嚴重等問題，如圖2所示。

圖1 型材截面圖

圖2 型材嚴重波浪

2 試驗方案

2.1 模具結構調整

從圖3型材的料頭來看，在擠壓過程中金屬流動是極不均勻的。厚壁部分的金屬流量充分，流速快，而薄壁部分的金屬流量不足，流速慢，壁厚部分比壁薄部多出180 mm 左右。金屬的嚴重不均勻流動導致型材內部產生嚴重的殘余應力，從而導致型材產生嚴重的波浪、扭擰和彎曲等缺陷。最大壁厚30 mm，最小壁厚2.5 mm，可從減緩厚料的流速方面考慮調整模具結構，如通過增加分流橋兩側的摩擦力、加深二層焊合室深度以及加長厚料處金屬流的摩擦行程等措施，以保證整體供料的均衡。首先，厚料處布置分流橋，通過分流橋兩側的摩擦力，減緩此處金屬的流動速度；其次，加深厚料處二層焊合室的深度，其中厚料處深25 mm，薄料處深5 mm，通過較深的二層焊合室阻礙厚料的金屬流速；最后，加長厚料處的工作帶，其中厚料處工作帶長25 mm，薄料處工作帶長10 mm。加長厚料處金屬流的摩擦行程，減緩厚料的金屬流速。

圖3 擠壓型材料頭形狀

2.2 擠壓工藝優化

型材在70 MN 擠壓機上生產，鋁棒溫度為470～490 ℃，模具溫度為480～500 ℃，擠壓速度為3 m ?min-1，風冷淬火，具體工藝見表1。型材在風冷淬火條件下的溫度見表2，型材壁厚位置的出口溫度為540 ℃，壁薄位置的出口溫度為520 ℃，出口溫度差為20 ℃；經在線風冷后，壁厚位置的淬火后溫度為162 ℃，壁薄位置的淬火后溫度為72 ℃，淬火后溫度相差90 ℃，型材溫度差別較大，冷卻不均勻。風冷淬火試驗下型材仍存在嚴重的側彎問題。

表1 風冷淬火條件下擠壓工藝

表2 風冷淬火條件下型材各位置溫度/℃

為進一步改善型材壁厚位置和壁薄位置的淬火后溫度差，改善型材淬火后側彎問題，對型材進行在線水冷。結合70 MN機臺的淬火條件，整個在線淬火裝置6.5 m，共有12 道水嘴，每道水嘴由單獨的水量計單獨控制。使用兩側水嘴，根據壁厚調整冷卻水量，采用精準控制的在線水冷工藝，以便冷卻水更好地噴射到型材表面。結合6005A淬火敏感性特點，采用前3 m淬火區，使型材在淬火敏感性溫度區間內快速冷卻。具體擠壓工藝見表3。

表3 水冷淬火條件下擠壓工藝

采用方案1淬火，壁厚位置和壁薄位置的淬火后溫度均高于360 ℃，淬火不足；采用方案2 淬火，壁厚位置的淬火后溫度為260 ℃，壁薄位置的淬火后溫度為90 ℃，淬火溫差較大；采用方案3淬火，壁厚位置的淬火后溫度為38 ℃，壁薄位置的淬火后溫度為28 ℃。

加強型材壁厚部分的冷卻速率，這樣壁厚部分冷卻后產生較強的收縮應力，壁薄部分的冷卻也不可避免地產生一定的收縮應力。雖然前者的收縮應力比后者的收縮應力大，兩側的收縮應力尚存在不平衡，但由于型材受到牽引機的牽引，此不平衡的收縮應力被牽引機所抵消。型材經在線冷卻后整體溫度較低，所產生的收縮應力較小，兩側的不平衡收縮應力也較小。如圖4所示，型材冷卻至室溫時的彎曲程度較小。

圖4 水冷淬火下生產型材側彎情況

2.3 定尺鋸切

模具結構和擠壓工藝調整后，型材的側彎得到明顯的改善，對長尺型材側彎情況進行檢測，具體結果見表4。側彎位置均在第2 支定尺型材上，擠壓停機上棒時，第2支定尺型材處在水冷淬火線出口位置。此缺陷無法避免，只能在實際鋸切時對該位置進行避讓。

表4 試驗方案3定尺型材側彎情況

2.4 型材性能

三種水冷淬火方案下型材的性能均滿足Rm≥255 Mpa、Rp0.2≥215 Mpa、A≥6%的性能要求，具體見表5。采用方案1：=273.4 Mpa，=239.4 Mpa，=14.2%。采用方案2：=279.6 Mpa，=238 Mpa，=14.7% 。采用方案3：=278.8 Mpa ，=231 Mpa，=15.4%。三種方案型材的力學性能結果沒有明顯差異，均能達到淬火敏感性溫度區間的快速冷卻。

表5 三種水冷淬火方案下型材的性能結果

3 總結

擠壓寬展比、型材寬厚比和壁厚差較大的車體型材生產難度較大，對于壁厚差較大的型材，可通過模具結構的調整，保證整體供料的均衡，避免型材內部產生嚴重的殘余應力；采用在線水冷，壁厚位置淬火水量為12.8 m3?h-1，壁薄位置淬火水量為4.2 m3?h-1，擠壓速度為2 m ?min-1的生產工藝可保證型材壁厚位置與壁薄位置淬火后溫度差較小，保證整體的側彎程度較小。淬火線位置的側彎問題采用鋸切避讓的方式解決。