軌道交通用6005A合金復(fù)雜斷面生產(chǎn)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(jù)高速列車運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)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(yè)要求減少車體頂棚、側(cè)墻、底板等大部件的焊縫數(shù)目。如車體頂棚由原來(lái)的7塊型材減少為5塊進(jìn)行拼焊，這樣的要求使得車體型材的截面尺寸和形狀復(fù)雜性進(jìn)一步增加，型材呈現(xiàn)出更為扁寬、薄壁、多腔的截面形狀特點(diǎn)。大規(guī)格一般是指長(zhǎng)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(shí)多采用攪拌摩擦焊，對(duì)型材之間的對(duì)接焊間隙提出嚴(yán)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(chǎn)難度較大，因此對(duì)型材的生產(chǎn)工藝提出更為嚴(yán)格的要求。

1 問(wèn)題說(shuō)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(zhǎng)≤2 mm；扭擰度要求≤0.5 mm/m，全長(zhǎng)≤2 mm。力學(xué)性能要求抗拉強(qiáng)度≥250 MPa，屈服強(qiáng)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(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，此類型材存在波浪嚴(yán)重、側(cè)彎嚴(yán)重等問(wèn)題，如圖2所示。

圖1 型材截面圖

圖2 型材嚴(yán)重波浪

2 試驗(yàn)方案

2.1 模具結(jié)構(gòu)調(diào)整

從圖3型材的料頭來(lái)看，在擠壓過(guò)程中金屬流動(dòng)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(yán)重不均勻流動(dòng)導(dǎo)致型材內(nèi)部產(chǎn)生嚴(yán)重的殘余應(yīng)力，從而導(dǎo)致型材產(chǎn)生嚴(yán)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(diào)整模具結(jié)構(gòu)，如通過(guò)增加分流橋兩側(cè)的摩擦力、加深二層焊合室深度以及加長(zhǎng)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(guò)分流橋兩側(cè)的摩擦力，減緩此處金屬的流動(dòng)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(guò)較深的二層焊合室阻礙厚料的金屬流速；最后，加長(zhǎng)厚料處的工作帶，其中厚料處工作帶長(zhǎng)25 mm，薄料處工作帶長(zhǎng)10 mm。加長(zhǎng)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(yōu)化

型材在70 MN 擠壓機(jī)上生產(chǎn)，鋁棒溫度為470～490 ℃，模具溫度為480～500 ℃，擠壓速度為3 m ?min-1，風(fēng)冷淬火，具體工藝見(jiàn)表1。型材在風(fēng)冷淬火條件下的溫度見(jiàn)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(jīng)在線風(fēng)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(fēng)冷淬火試驗(yàn)下型材仍存在嚴(yán)重的側(cè)彎問(wèn)題。

表1 風(fēng)冷淬火條件下擠壓工藝

表2 風(fēng)冷淬火條件下型材各位置溫度/℃

為進(jìn)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(cè)彎問(wèn)題，對(duì)型材進(jìn)行在線水冷。結(jié)合70 MN機(jī)臺(tái)的淬火條件，整個(gè)在線淬火裝置6.5 m，共有12 道水嘴，每道水嘴由單獨(dú)的水量計(jì)單獨(dú)控制。使用兩側(cè)水嘴，根據(jù)壁厚調(diào)整冷卻水量，采用精準(zhǔn)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(jié)合6005A淬火敏感性特點(diǎn)，采用前3 m淬火區(qū)，使型材在淬火敏感性溫度區(qū)間內(nèi)快速冷卻。具體擠壓工藝見(jiàn)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(qiáng)型材壁厚部分的冷卻速率，這樣壁厚部分冷卻后產(chǎn)生較強(qiáng)的收縮應(yīng)力，壁薄部分的冷卻也不可避免地產(chǎn)生一定的收縮應(yīng)力。雖然前者的收縮應(yīng)力比后者的收縮應(yīng)力大，兩側(cè)的收縮應(yīng)力尚存在不平衡，但由于型材受到牽引機(jī)的牽引，此不平衡的收縮應(yīng)力被牽引機(jī)所抵消。型材經(jīng)在線冷卻后整體溫度較低，所產(chǎn)生的收縮應(yīng)力較小，兩側(cè)的不平衡收縮應(yīng)力也較小。如圖4所示，型材冷卻至室溫時(shí)的彎曲程度較小。

圖4 水冷淬火下生產(chǎn)型材側(cè)彎情況

2.3 定尺鋸切

模具結(jié)構(gòu)和擠壓工藝調(diào)整后，型材的側(cè)彎得到明顯的改善，對(duì)長(zhǎng)尺型材側(cè)彎情況進(jìn)行檢測(cè)，具體結(jié)果見(jiàn)表4。側(cè)彎位置均在第2 支定尺型材上，擠壓停機(jī)上棒時(shí)，第2支定尺型材處在水冷淬火線出口位置。此缺陷無(wú)法避免，只能在實(shí)際鋸切時(shí)對(duì)該位置進(jìn)行避讓。

表4 試驗(yàn)方案3定尺型材側(cè)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(jiàn)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(xué)性能結(jié)果沒(méi)有明顯差異，均能達(dá)到淬火敏感性溫度區(qū)間的快速冷卻。

表5 三種水冷淬火方案下型材的性能結(jié)果

3 總結(jié)

擠壓寬展比、型材寬厚比和壁厚差較大的車體型材生產(chǎn)難度較大，對(duì)于壁厚差較大的型材，可通過(guò)模具結(jié)構(gòu)的調(diào)整，保證整體供料的均衡，避免型材內(nèi)部產(chǎn)生嚴(yán)重的殘余應(yīng)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(chǎn)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(cè)彎程度較小。淬火線位置的側(cè)彎問(wèn)題采用鋸切避讓的方式解決。