葉陶勇

（西南鋁業(yè)（集團）有限責任公司，重慶 401326）

0 前言

鋁合金預拉伸板材因其性能優(yōu)異、機械加工或化銑后變形小甚至不變形被廣泛應用于航空航天、船舶制造、建筑和交通等領(lǐng)域[1]。但材料在加工中，特別是在軋制過程和熱處理淬火過程中，殘余應力的釋放[2]需要在拉伸機上進行，通過一定拉伸量使其發(fā)生塑性變形，同時讓板材沿厚度在軋制方向上的殘余應力重新分布，并向減少板材殘余應力的趨勢發(fā)展。因此，應對板材殘余應力的產(chǎn)生機理和消除方法進行系統(tǒng)研究和論證。袁望姣[3]等研究了基于預拉伸工藝的鋁合金厚板殘余應力消除機理，李利[4]研究了鋁合金板淬火殘余應力的拉伸消除方法，梁軒[5]等對7075鋁合金預拉伸板在淬火中殘余應力的產(chǎn)生機理進行了研究，王志剛[6]研究了7075鋁合金板預拉伸夾持區(qū)預測方法。但在工業(yè)大生產(chǎn)中實際運用拉伸機的拉伸來消除殘余應力的技術(shù)沒有詳細的研究。

現(xiàn)階段國內(nèi)外大多數(shù)選用拉伸機進行拉伸塑性變形來消除或減少鋁合金預拉伸板的殘余應力。由于板材沿軋制方向的縱截面的各點拉伸率基本一致，因此本文僅對鋁合金預拉伸板在12 000 t拉伸機上發(fā)生塑性變形截面的拉伸率均勻性進行數(shù)據(jù)收集、分析和論證，為12 000 t拉伸機對板材殘余應力影響的研究提供基礎數(shù)據(jù)參考，并對現(xiàn)場生產(chǎn)有指導意義。即通過對工藝進行定量確定，最大限度地降低鋁合金預拉伸板材因原材料加工過程而導致的機加工變形概率。

1 實驗方案

1.1 實驗材料選取

眾所周知，拉伸機在拉伸板材時易使板材產(chǎn)生塑性變形。在此過程中板材呈兩向壓縮、一向延伸的受力狀態(tài)，從宏觀結(jié)果上來講就是長度變長、寬度變窄和厚度減薄的變化現(xiàn)象。

本實驗選取典型的7075-T651鋁合金預拉伸板作為本次實驗對象，且對選用的不同厚度、寬度但延伸率設定值一致的產(chǎn)品進行劃線標識，選取批次和規(guī)格如表1所示。

表1 選取批次和規(guī)格

1.2 實驗內(nèi)容

拉伸前在板材上進行精確劃線標識，并在拉伸后逐個測量、記錄。以板材長度中心線為基準進行板材兩端對稱劃線標識。劃線間距應根據(jù)拉伸機拉伸延伸率規(guī)律因板材部位的不同而不同，一般為200～1 000 mm。實驗劃線標識如圖1所示。

圖1 板材劃線標識示意圖

1.3 實驗跟蹤

根據(jù)現(xiàn)場實物生產(chǎn)跟蹤和大量數(shù)據(jù)的積累，發(fā)現(xiàn)拉伸完成后整個板材標識線（對比線）有呈“（）”狀的趨勢，即從板材端頭向板材中心線看，標識線由兩側(cè)向中部逐漸加大彎曲程度，彎曲方向指向鉗口區(qū)域且由板材兩端向中部彎。彎曲現(xiàn)象表明位移量逐漸減弱，到達板材中部區(qū)域時則基本無位移量，即證明此區(qū)域拉伸延伸率相對較均勻。

拉伸前對板材進行定點、對稱劃線標識然后再拉伸使其產(chǎn)生塑性變形，主要是測量劃線位置的偏移量即劃線位移量，以此論證拉伸后呈“（）”狀趨勢的正確性。如圖2所示，實線為拉伸前實物圖樣，虛線為拉伸后實線變化的實物圖樣。

圖2 拉伸后板材劃線變化示意圖

拉伸后對所有實驗用鋁合金預拉伸板進行實際延伸率測量（按長、寬方向共取9個測量點）和拉伸前后平直度測量，比較其拉伸前后的變化。圖3為實際延伸率測量點示意圖。

圖3 拉伸后板材實際延伸率測量點示意圖

板材厚度不同拉伸機鉗口夾持量也不同，當板材厚度≥120 mm時，每端夾持長度為滿夾即650 mm；當80 mm≤板材厚度＜120 mm時，每端夾持長度為400～450 mm；當板材厚度＜80 mm時，每端夾持長度為300～350 mm。

1.4 實驗數(shù)據(jù)收集

根據(jù)各個板材劃線的位移量進行測量和收集，可知位移量在板材寬度方向上呈對稱狀線性分布，越靠近中部位移量越小。因此選取在板材寬度方向上1/2處的數(shù)據(jù)作為實驗收集數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 位移量數(shù)據(jù)展示

在實際拉伸延伸率的測定上，采取“九點”測量法，即在板材的“頭、中、尾”固定對稱選擇測量點，以確保長度方向和寬度方向的數(shù)據(jù)收集，如表3所示。

表3 實際延伸率數(shù)據(jù)展示

另外，對此次實驗用鋁合金預拉伸板材于12 000 t拉伸機上拉伸前后的不平度也進行了定點跟蹤測量，發(fā)現(xiàn)所有板材在12 000 t拉伸機上拉伸前后的不平度變化量均小于0.3 mm。

2 實驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析

由表2、表3中的數(shù)據(jù)可以看出，在鋁合金預拉伸板長度方向上固定位置進行劃線標識，然后在其它工藝不變且設定同等拉伸延伸率（每塊板材對應設定一個延伸率）和不考慮設備精度誤差的情況下，各個規(guī)格的鋁合金預拉伸板材經(jīng)12 000 t拉伸機拉伸后，可知：

（1）劃線位移量均是由靠近鉗口向板材中部逐漸降低，直至為零。

（2）長度方向上的延伸率由標識線位移量和實際測量延伸率可知。越接近兩端鉗口，延伸率與設定值差值越大，當距離鉗口500～800 mm后，整個板材延伸率基本一致。

（3）同理，寬度方向的延伸率在同一橫截面上顯示為兩側(cè)邊部往中部方向延伸率的差異越來越大，當距離鉗口500～800 mm后，整個板材延伸率基本一致。

3 拉伸均勻性分析

拉伸是消除鋁合金厚板殘余應力最有效的方法。研究發(fā)現(xiàn)，淬火后的板材殘余應力呈現(xiàn)內(nèi)拉外壓的分布規(guī)律。淬火后的鋁合金厚板經(jīng)拉伸后，中間部分應力分布均勻，應力波動不大，而鉗口端的拉伸區(qū)域會出現(xiàn)很大的應力。在拉伸過程中厚度上沿軋制方向上的應力應變也在發(fā)生變化。拉伸前內(nèi)層金屬受拉應力，而表層金屬受壓應力。在拉伸的起始階段，表層金屬所受壓應力逐漸減小，一直到0 MPa后，又逐漸增大為拉應力，內(nèi)層金屬是受拉應力逐漸增大。當拉伸量超過一定量時，內(nèi)外層金屬同時受拉應力。內(nèi)層金屬一直受拉應力，應力的變化幅度比外層的要小。內(nèi)層金屬先超過彈性極限進入塑性變形。在拉伸過程中，鋁合金厚板產(chǎn)生彈塑性變形，當預拉伸一定量后松開夾具，厚板會回彈，從而釋放彈性應變，只留下塑性變形，在回彈過程中，應力重新分布[3]。

鋁合金板材在經(jīng)拉伸機拉伸后，由于沿軋制方向上拉伸率的不均勻性，鉗口端的拉伸區(qū)域殘余應力與中部殘余應力分布不一致，前者未完全消除，而后者因中部拉伸率較為均勻且實際拉伸率與設定拉伸率基本一致，從而使板材中部的殘余應力分布較為均勻。

4 結(jié)論

通過對12 000 t拉伸機拉伸后預拉伸板材的實際測量，研究了板材的長度和寬度方向上延伸率的均勻性，得出如下結(jié)論。

（1）證明板材在拉伸過程中存在拉伸不均勻區(qū)域，且其不均勻性與板材長度和寬度沒有絕對對應關(guān)系；不均勻部位區(qū)域長度只與板材厚度對應的鉗口夾持量和延伸率設定有關(guān)系。

（2）可確認拉伸完成后整個板材標識線（對比線）呈“（）”狀。

（3）長度方向延伸率不均勻時寬度方向上的延伸率也不均勻。

（4）同合金規(guī)格的板材，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，拉伸延伸率設定越大，其不均勻部位區(qū)域長度越長。

（5）為切除宏觀上的板材延伸率不均勻部分，降低加工變形概率，應根據(jù)預拉伸板材厚度和實際延伸率的差異，將其頭尾切除900～1 500 mm，確保預拉伸板材延伸率均勻。

對12 000 t拉伸機拉伸延伸率均勻性的研究，下一步應結(jié)合板材合金牌號、規(guī)格和拉伸延伸率等要素在如何減少板材不均勻性部分及不同部位加工變形概率等方面開展研究。