陳澤軍，李軍超，黃光杰

(重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400044)

鋁壓型板作為一種新型建筑結(jié)構(gòu)材料，具有重量輕、比強度高、耐腐蝕、安全防火，運輸施工方便、美觀、使用壽命長以及回收價值較高等諸多獨特優(yōu)點，在工程領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用［1-2］。鋁壓型板的厚度大多為1 mm左右，寬度1 m左右［2-3］。隨著壓型板需求量日益增長，對外觀、尺寸和性能提出了更高的要求［4］。在某些承載結(jié)構(gòu)中，需要厚規(guī)格壓型板才能滿足工程需求［5］。當(dāng)前，壓型板的成型有輥彎和沖壓成型等方式，輥彎成型工藝占統(tǒng)治地位。鋁壓型板輥彎成型是板材在冷狀態(tài)下經(jīng)縱向連軋成型機連續(xù)彎曲而成的工藝［6-7］。其成型特點是變形前后板帶的厚度不變;成型后各部中性線展開長度等于原板寬度;成型過程中，彎曲的部分在彈性變形同時，也伴隨著塑性變形和加工硬化。壓型板輥彎成型工藝主要有 2種［3-4，8］:1)順序成型法:先從中間波紋按順序向邊緣波紋逐漸成型，或是先從邊部波紋再像中間波紋逐漸成型。其特點是坯料寬度計算簡單，輥子的安裝和調(diào)整方便，成型時所需的力較小，但機架數(shù)相對要求多。2)同時成型法:斷面上的波紋同時成型，其特點是能用最少的成型道次獲得最終的成品，但需要精確計算坯料的寬度，對成型機組要求有較高的安裝精度;同時，由于彎曲處發(fā)生金屬硬化，成型所需的力較大，成型輥磨損比較嚴(yán)重。壓型板厚度的增加給成型設(shè)備和工藝帶來了一些困難，如:成型所需的力大幅增加，彎曲成型過程中板材橫向位移較大，上下成型軋輪彎曲半徑需要更多考慮與材料彎曲性能匹配等。如果成型工藝不合理，則容易產(chǎn)生各種缺陷［9-11］。因此，厚規(guī)格鋁壓型板生產(chǎn)對連軋機的設(shè)備能力提出了較高要求，并且需要合理設(shè)計輥彎生產(chǎn)工藝。孔型彎曲半徑的設(shè)計需要充分考慮板材的變形特點和板材成形能力，以減少角部開裂等缺陷的發(fā)生［12-13］。

本文對厚規(guī)格(3～4 mm)鋁壓型板輥彎成型工藝進行研究，基于鋁合金板材成形能力和壓型板規(guī)格特點，開發(fā)了厚規(guī)格鋁壓型板順序輥彎成型工藝。對少量出現(xiàn)的鋁壓型板角部裂紋缺陷進行斷口SEM微觀表征，分析斷裂產(chǎn)生原因，從材料選擇和預(yù)處理的角度，提出減少缺陷的相應(yīng)措施。

1 壓型板成分、規(guī)格和性能

本文所采用的鋁合金板材是一種強度較高防銹鋁合金，主要用于船舶制造行業(yè)，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 鋁合金板化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of aluminum alloy %

分析成分可知:鋁-鎂合金中含有少量的Mn、Cr和Ti元素，Mn元素的加入能夠使含鎂的相如Mg5Al8彌散沉淀，起到彌散強化的作用，同時起到提高鋁合金的抗腐蝕性能。加入的Cr和Ti元素可以細化合金晶粒，而Fe、Si、Cu等為雜質(zhì)元素，它們的存在對鋁合金的性能與質(zhì)量有較大負(fù)面影響［14］。

壓型板的產(chǎn)品規(guī)格和尺寸如下(如圖1):

1)V50-300型壓型板坯料(壓型板成形前的板材)的厚度為3～4 mm。

2)壓型板的寬度為900～1 200 mm。

3)壓型板的長度為1 700～5 000 mm。

圖1 壓型板的板型及尺寸Fig.1 Shape and dimensions of profiled sheet

按照GB/T228-2002金屬材料室溫拉伸標(biāo)準(zhǔn)制樣，分別沿軋制方向(0°)和垂直于軋制方向(90°)取樣。進行拉伸試驗，獲得鋁合金板材力學(xué)性能參數(shù)見表2。

表2 鋁合金板性能參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of Al alloy sheet

由表2可以看出:鋁合金強度較高，塑性較好。沿軋制方向的硬化指數(shù)n值大于90°方向的硬化指數(shù)，說明板材存在一定程度的各向異性，板材2個方向的成形極限具有一定的差異，沿軋制方向的硬化指數(shù)n值較大，說明沿軋制方向材料的成形能力略好。但整體看來，板材各方向的性能較為均勻。

2 壓型板成型工藝

一般認(rèn)為順序成型法需要用較多的成型輥，但由于載荷的降低，實際順序成型法較同時成型法其成型輥重量可減少20%左右。同時成型過程中，板材一開始就沿整個斷面同時變形，各個彎曲處的相互作用使金屬的橫向移動比較困難，特別是當(dāng)成型輥加工精度稍有偏差時，就會造成板材在成型過程中無法按照預(yù)先設(shè)想的狀態(tài)變形，從而產(chǎn)生形狀和尺寸誤差。同時成型過程中存在著較大的應(yīng)力，除了容易造成壓型板邊部尺寸過大以形成折皺或形狀改變，還可能產(chǎn)生橫向彎曲和板面不平。順序成型過程中，當(dāng)一個波成型時，其自由周邊的板材很容發(fā)生所需的金屬橫向流動，使彎曲處板材和成型輥的摩擦力減小，有利于板材成型。2種成型方法各有優(yōu)缺點，但對于中、低波形壓型板和一些特殊形狀的壓型板，順序成型法有一定的優(yōu)越性［4］。

壓型板原料寬度為900～1 200 mm，壓型板共有4個梯形槽(如圖1)。由于壓型板成型過程中，板材在軋輪中受到拉深，并且槽型較深，若采用3 mm鋁合金板材，深度與厚度比值達17∶1，變形過程中局部會發(fā)生加工硬化，對板材成形性能要求較高。壓型板成型過程中，金屬板沿橫向受到拉伸作用，從而形成槽型。槽深要求成型過程中板材橫向流動較大，完全采用同時成型，槽型之間對板材的作用力使材料流動較為困難，容易造成板材局部變薄甚至斷裂。又由于板材相對較厚，如果4個槽型同時成型對成型設(shè)備所提供的軋制力要求較大?；谏鲜龇治?，根據(jù)同時成型和順序成型的特點，對2種方案進行比較，提出了多點逐道次順序成型工藝，從而解決了高硬化多槽型鋁合金壓型板的成型問題。將鋁壓型板的成型過程分成2個階段，先對中間的2個槽型進行成型，然后再對外側(cè)的2個槽型進行成型。成型壓下規(guī)程設(shè)計中，首先確定第1架和最后1架的孔型，進而逐步確定中間機架孔型［15］。輥彎成型工藝設(shè)計的難點在于最后1架成品孔型的設(shè)置以及中間機架變形量和軋輪橫移量的分配。最終確定的鋁壓型板的成型過程如圖2所示。

圖2 壓型板成型過程外形輪廓圖Fig.2 Pr of ile of form ing process of profiled sheet

由圖2可以看出:中間的2個槽通過前10個道次來成形，邊部的2個槽型通過第11～20道次來成型。最后的第21道次，主要是為了平整鋁壓型板，提高表面質(zhì)量和形狀精度。兩側(cè)槽型的成型過程與中間2個槽型的成型過程相似，成型輥的參數(shù)和壓下規(guī)程與中間2個槽型類似。為了便于金屬流動和槽型的成型，中間2個槽型的軋輪中心距是變化的。壓型板槽型的成型過程各道次的壓下量和橫移量如表3所示。

表3 壓型板槽型成型道次壓下量和橫移量Table 3 Reductions and shifting displacements for each roll form ing pass

壓型板是通過上下軋輪構(gòu)成的孔型來成型的。由于板料比較厚，上下軋輪的彎曲半徑配置非常重要，需要綜合考慮上下軋輪相互配合來完成。彎曲半徑過小，容易產(chǎn)生角部裂紋缺陷，彎曲半徑過大，不能獲得所需的壓型板形狀。圖3給出了3 mm厚鋁合金壓型板的成型孔型和彎曲半徑配置情況。

圖3 鋁合金壓型板成型孔型及彎曲半徑Fig.3 Form ing groove of profiled alum inum alloy sheet and bending radius

通過上述工藝可以實現(xiàn)壓型板的成型。也發(fā)現(xiàn)少量壓型板成型后，角部出現(xiàn)裂紋缺陷，如圖4所示。

3 裂紋缺陷分析

對成型后壓型板少量角部裂紋缺陷進行SEM形貌觀察，如圖5所示。

圖5 鋁合金斷口SEM形貌Fig.5 SEM image of fracture of A l alloy sheet

由圖5可以看出:斷口具有典型的微孔聚合型斷裂形貌，其特征是存在大量韌窩。韌窩是微孔長大的結(jié)果，韌窩內(nèi)大多包含著一個夾雜物或第二相，這說明微孔多萌生于夾雜物或第二相與基體的界面上。此外由于基體加工硬化能力較強，韌窩大而淺。當(dāng)板材彎曲過程中，在外側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力，開始產(chǎn)生微孔，繼而長大和聚合，形成一中心裂紋，這中心裂紋沿著垂直于拉力軸的方向伸展，最終到試樣邊緣以大約和軸向成45°平面剪切斷開。

圖6給出了斷口裂紋擴展帶的形貌，在外力的作用下，裂紋在大的第二相和雜質(zhì)處萌生，在外載荷的作用下，裂紋向四周擴展，最后發(fā)生斷裂。由圖6可以看出:斷口呈暗灰色，裂紋擴展帶較寬，表面較光滑帶較弱的金屬光澤，形貌為纖維狀，無放射花樣和弧形跡線，屬于典型剪切型韌斷。

圖6 斷口裂紋擴展帶形貌Fig.6 Expanding band morphology of crack at fracture

鋁合金斷口韌窩大都包含第二相，裂紋多在此處產(chǎn)生。運用SEM-EDS進行點譜分析，結(jié)果如圖7和表4所示。

圖7 斷口韌窩中第二相譜點EDS分析Fig.7 EDS analysis of second phase in dimples offacture

表4 元素重量百分比Table 4 Percentage by weight of elements%

Fe元素作為鋁合金中的雜質(zhì)元素，當(dāng)含量過大時，會生成金屬化合物，形成硬點，依據(jù)元素含量比，由譜圖1～3可知鋁合金中含部分Al6(FeMn)多元硬脆相［16］，容易成為塑性加工過程中裂紋源，并顯著影響材料的加工硬化性能。譜圖4～6中存在鎂元素的偏聚現(xiàn)象，容易導(dǎo)致脆性增加，工藝性能下降［8］;同時鎂元素偏聚容易形成大顆粒鎂鋁硬脆相(Mg5Al8)，降低沉淀強化效果，并導(dǎo)致脆性增加，在塑性加工過程中容易發(fā)生破裂，而成為裂紋源。此外，在斷口中也觀察到少許碎狀富Si硬點以及夾雜物，它們在加工過程中也容易破碎，導(dǎo)致裂紋萌生。

綜上分析，鋁合金輥彎成型過程中少量角部裂紋缺陷產(chǎn)生的原因可能是板材內(nèi)部存在部分大顆粒Al6(FeMn)和Mg5Al8等硬脆性相和夾雜物，這些硬脆相在彎曲變形過程中容易破碎，與鋁基體間萌生微裂紋，降低其塑性加工能力。在拉應(yīng)力作用下，微裂紋逐漸擴展，直至形成大韌窩，韌窩的大量聚集導(dǎo)致最終鋁合金壓型板裂紋缺陷的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

1)成功開發(fā)了厚規(guī)格鋁合金壓型板輥彎順序成型工藝，給出了道次壓下規(guī)程和軋輪橫向移動量分配。

2)對少量壓型板角部裂紋斷口分析表明:鋁合金板材內(nèi)部存在部分大顆粒Al6(FeMn)和Mg5Al8等硬脆性相以及夾雜物，在彎曲變形過程中容易破碎，導(dǎo)致與鋁基體界面之間萌生微裂紋，裂紋擴展導(dǎo)致角部裂紋缺陷的產(chǎn)生。

3)基于上述缺陷形成原因，從控制微觀組織結(jié)構(gòu)和板材成型性的角度，可以采取對鋁合金板材進行預(yù)退火熱處理和減慢加工變形速率等措施降低加工硬化程度，提高板材塑性，從而減少裂紋缺陷。

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