李 朔,王 宇,韓世濤,周 軍,張 巖

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司,遼寧 遼陽(yáng) 111003)

近年來(lái),隨著交通事業(yè)輕量化的發(fā)展,鋁合金在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多,主要用在制造汽車(chē)天窗、保險(xiǎn)杠、行李架和車(chē)身等方面。6082鋁合金為Al-Mg-Si系合金,具有密度低、強(qiáng)度高、塑性好、耐腐蝕強(qiáng)和良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、成形性、焊接性等特點(diǎn)[1]。6082鋁合金屬于可熱處理強(qiáng)化鋁合金,其化學(xué)成分見(jiàn)表1,抗拉強(qiáng)度為200～330 MPa,延伸率≥10%[2]。常見(jiàn)的鋁合金汽車(chē)零件有6082-T6鋁合金汽車(chē)防撞梁、ABS剎車(chē)系統(tǒng)模塊和6082-T6鋁合金汽車(chē)門(mén)鉸鏈等。

由于汽車(chē)零件用鋁型材的截面通常比較復(fù)雜,空心封閉腔多為異形,且數(shù)量多、分布無(wú)規(guī)律,其擠壓模具常設(shè)計(jì)成分流模,在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)焊合問(wèn)題,進(jìn)而影響鋁型材的力學(xué)性能和質(zhì)量要求。除了擠壓工藝制定不當(dāng)外,模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理也是非常關(guān)鍵的因素。

1 焊合不良的產(chǎn)生

1.1 焊合過(guò)程

產(chǎn)生焊合不良的原因?yàn)楹负系倪^(guò)程即空心鋁型材的擠壓過(guò)程,是通過(guò)擠壓機(jī)作用在擠壓軸上的力使鑄錠通過(guò)分流孔先分成幾股,隨后再進(jìn)入?？浊爸匦聟R合,形成環(huán)繞模芯的整體而被擠出形成閉合的空心型材[3],如圖1所示。唐鼎等[4]從塑性力學(xué)的角度將焊合的過(guò)程分為金屬初始接觸、空洞閉合和界面消失三個(gè)階段,并指出分流橋下首先接觸的金屬界面存在很多微觀(guān)空洞,隨著壓力的增大、溫度的升高,空洞逐漸消失,隨后在再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大的過(guò)程中空洞界面消失。由于擠壓過(guò)程是金屬在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的封閉環(huán)境中進(jìn)行的,要研究擠壓焊縫形成的機(jī)理,就要了解金屬在分流孔及焊合室內(nèi)的流動(dòng)情況[5]。林高用等[6]提出分流橋下被封閉的氣體是焊縫缺陷的形成原因。焊合壓力、焊合時(shí)間、雜質(zhì)異物和氣泡等原因都會(huì)造成分流橋下兩金屬接觸面無(wú)法達(dá)到緊密連接狀態(tài)。由此可見(jiàn),分流模模具模腔的內(nèi)部環(huán)境和結(jié)構(gòu)對(duì)金屬的焊合過(guò)程起著至關(guān)重要的作用。

圖1 分流模擠壓過(guò)程Fig.1 The extrusion process of hollow die

1.2 模具結(jié)構(gòu)

模具結(jié)構(gòu)對(duì)金屬焊合過(guò)程的影響可通過(guò)數(shù)值模擬方法進(jìn)行分析。J.M.Lee等[7]使用數(shù)值模擬分析法,探討了模具的焊合室結(jié)構(gòu)對(duì)焊合力和金屬流速的影響。Z.Peng等[8]基于Forge軟件研究了分流孔的分布和數(shù)量對(duì)金屬流動(dòng)情況、晶粒組織以及擠壓力大小的影響規(guī)律。喻俊荃等[9]利用Hyperworks軟件探究阻流塊對(duì)擠壓過(guò)程中鋁合金流動(dòng)的影響規(guī)律。因此,通過(guò)研究焊合室內(nèi)的靜水壓力、流動(dòng)應(yīng)力和金屬流動(dòng)的均勻性,調(diào)整模具結(jié)構(gòu),進(jìn)而能改善焊合質(zhì)量。

本文以汽車(chē)零件6082鋁合金壓縮機(jī)支架型材為例,斷面形狀如圖2所示,通過(guò)宏觀(guān)組織觀(guān)察、融合口破壞性試驗(yàn)分析,探討如何通過(guò)改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)來(lái)改善鋁型材的焊合問(wèn)題。

圖2 型材截面圖Fig.2 Profile cross-section

2 焊合質(zhì)量的檢測(cè)

2.1 試驗(yàn)方法與結(jié)果

在鋁合金空心型材擠壓前端切取厚度50 mm的試樣,試樣截面需銑削加工,要求粗糙度不低于Ra3.2 μm。在室溫(20～30 ℃)下,將試樣放入15%～25% NaOH溶液中堿洗30 min,去除表面臟污、氧化膜,然后迅速轉(zhuǎn)入清水中清洗,再放入20%～30%HNO3溶液中進(jìn)行酸洗,去除黑色堿蝕產(chǎn)物,最后用清水沖洗干凈。

圖3為6082鋁合金型材融合口位置圖,10a位置明顯成黑線(xiàn),其他位置焊合線(xiàn)均正常,組織連續(xù)焊合良好。圖4為腐蝕后試樣出現(xiàn)焊縫的位置。

圖3 融合口位置圖Fig.3 Location of the fusion port

圖4 試樣10a位置出現(xiàn)焊縫Fig.4 Welding line of sample at 10a position

為進(jìn)一步驗(yàn)證試樣的焊合質(zhì)量,使用壓力試驗(yàn)機(jī)將各融合口位置壓斷,觀(guān)察試樣斷口形貌。其中試樣10a位置的斷口呈平齊陶瓷狀,屬于脆性斷裂,判定為焊合不良,如圖5(a)所示。其他位置的斷口均呈凹凸不平的纖維狀,屬于韌性斷裂,無(wú)可見(jiàn)裂紋和夾雜等缺陷,組織合格,如圖5(b)所示。

(a)10a位置;(b)合格斷口圖5 不同融合口位置的斷口形貌(a)10a position; (b) qualified fractureFig.5 Fracture morphology at different fusion position

2.2 模具設(shè)計(jì)分析

上述試驗(yàn)結(jié)果表明,該型材有1根內(nèi)筋焊合不良,說(shuō)明金屬在經(jīng)過(guò)焊合室后沒(méi)有足夠的強(qiáng)度重新融合成完好的型腔壁?，F(xiàn)結(jié)合其斷面特點(diǎn)與模具結(jié)構(gòu)來(lái)分析產(chǎn)生該問(wèn)題的原因。

2.2.1型材斷面特點(diǎn)

從斷面形狀和尺寸上來(lái)看,該型材為典型的多孔異形空心型材。各個(gè)空心部分大小差距大、排列無(wú)規(guī)律、壁厚變化大,且有空、實(shí)心交替連接部位,增加了金屬流動(dòng)均勻性和型材成型的難度。圖6為型材截面尺寸,結(jié)合融合口位置圖來(lái)看,該型材外側(cè)壁厚最大達(dá)12 mm(1a位置);而兩個(gè)腔中間的內(nèi)筋最小只有5 mm(10a、11a和12a位置),尤其是10a和11a位置,這兩條筋兩端均與實(shí)心厚壁部位連接,壁厚相差懸殊,給模具設(shè)計(jì)工作增加了難度。由于該型材斷面上有兩處外徑φ30 mm圓形實(shí)心部位后續(xù)需要鉆孔加工,對(duì)力學(xué)性能要求較高,因此對(duì)焊合質(zhì)量要求較高。

圖6 型材截面尺寸(mm)Fig.6 Section size of profile

2.2.2模具設(shè)計(jì)基本理念

由于汽車(chē)零件型材的尺寸精度和形位公差等要求較嚴(yán),結(jié)合斷面的復(fù)雜情況,將模具設(shè)計(jì)難度定為A+。該型材外接圓為326 mm、米重為23.721 kg/m,將擠壓機(jī)臺(tái)定為7500 t,擠壓系數(shù)19,模具規(guī)格為外徑φ590 mm,厚度425 mm,分為上模、下模和墊三個(gè)部件。為保證模具整體強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及機(jī)臺(tái)的裝配尺寸,三個(gè)部件的厚度分別為170、115和140 mm。

該型材有7個(gè)大小不等、排列無(wú)規(guī)律的封閉空間,即上模模芯設(shè)計(jì)成7個(gè)芯頭。6根內(nèi)筋長(zhǎng)度、壁厚、排列方向無(wú)規(guī)律,筋兩端均與外壁厚有交點(diǎn)。結(jié)合金屬流動(dòng)的均衡性和模具強(qiáng)度需求,設(shè)計(jì)成8個(gè)分流孔,沿金屬外輪廓依次環(huán)繞排列。為滿(mǎn)足供料需求,將每個(gè)分流孔靠模具中心部位均置于內(nèi)筋與外壁厚交點(diǎn)處。由于兩端分流孔距離擠壓中心遠(yuǎn),且受擠壓筒摩擦力的影響,將兩端進(jìn)料孔面積設(shè)計(jì)在8000 mm2以上,中間兩處距離模具中心最近的進(jìn)料孔面積設(shè)計(jì)在4000 mm2以上。由于進(jìn)料孔過(guò)小容易造成“悶車(chē)”,將兩處小進(jìn)料孔中間的分流橋設(shè)計(jì)為吊橋,這樣連成整體形成了一個(gè)面積為10000多mm2的入料孔,有效緩解了金屬入料時(shí)的擠壓力,分流孔設(shè)計(jì)如圖7所示。由于內(nèi)筋相較于外壁厚難供料且容易出現(xiàn)焊合問(wèn)題,將每?jī)蓚€(gè)芯頭頸部中間間隙設(shè)計(jì)的略大一些,形成寬20 mm、高29 mm的進(jìn)料洞,洞下設(shè)計(jì)成水滴形,并且向模芯根部順料形成引流槽,單側(cè)角度3°～5°,加大了金屬的流入量,如圖8所示。

圖7 分流孔位置與面積Fig.7 Location and area of shunt hole

圖8 內(nèi)筋成水滴形,形成引流槽Fig.8 The inner reinforcement is in the shape of water droplets and forming drainage groove

2.2.3模具設(shè)計(jì)難點(diǎn)

結(jié)合該型材斷面特點(diǎn)可以看出,兩實(shí)心處與幾根內(nèi)筋厚度相差懸殊,極易造成模孔處金屬流動(dòng)不均勻,故兩厚點(diǎn)處工作帶取40 mm,內(nèi)筋處工作帶取5 mm。為減小工作帶處的金屬流動(dòng)不平衡產(chǎn)生的拉應(yīng)力,厚點(diǎn)處工作帶阻礙角取20 mm長(zhǎng)(下模),角度約2.8°;向內(nèi)筋過(guò)渡的邊緣處工作帶取30 mm,阻礙角取15 mm長(zhǎng)(上模),角度約2.5°,如圖9和圖10所示。

圖9 局部工作帶Fig.9 Local die bearing

圖10 阻礙角Fig.10 Choke angle

由于上模焊合室一般多用于型材邊部供料,故此模具只需設(shè)計(jì)下模焊合室。下模焊合室設(shè)計(jì)成高30 mm和25°自然流動(dòng)角斜面以減少死區(qū),如圖11所示。為避免出現(xiàn)焊合問(wèn)題,進(jìn)一步平衡該型材實(shí)心與空心部位的進(jìn)鋁量,下模焊合室沿?？淄廨喞鰮趿吓_(tái),擋料臺(tái)高度和寬度與其需擋料處壁厚大小成正比,如圖12所示,兩實(shí)心厚點(diǎn)處擋料臺(tái)均為20 mm寬和25 mm高。擋料臺(tái)離下模?？走吘壍木嚯x與其相近處的壁厚成反比,壁厚越大,距離越小。觀(guān)察到該型材最小空心部位形狀近似一個(gè)小扁圓,位于型材一側(cè)末端,且與之相鄰兩側(cè)的壁厚較厚,即上模最小的模芯頸部較細(xì)長(zhǎng),而兩側(cè)的金屬流動(dòng)空間較大,擠壓過(guò)程中若兩側(cè)擠壓力不均衡會(huì)將該模芯擠歪,造成型材偏壁,故在小模芯頸部一側(cè)做護(hù)坡保證該模芯強(qiáng)度,如圖13所示。

圖11 焊合室Fig.11 Welded chamber

圖12 兩厚點(diǎn)處擋料臺(tái)位置、尺寸Fig.12 Position and size of the choke blocks at two thick points

圖13 護(hù)坡位置、尺寸Fig.13 Position and size of slope protection

2.2.4模具結(jié)構(gòu)分析

不考慮擠壓工藝的前提下,影響焊合質(zhì)量的因素有擠壓比、分流比、焊合室的形狀與深度、靜水壓力和金屬流速差。但考慮到該型材沒(méi)有出現(xiàn)整體焊合問(wèn)題,結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果,故只對(duì)存在焊合質(zhì)量問(wèn)題位置的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。對(duì)上述模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,可知該模具設(shè)計(jì)方案已考慮到6082鋁合金型材易出現(xiàn)內(nèi)筋壁厚供料不均勻,進(jìn)而影響焊合質(zhì)量,但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)仍存在內(nèi)筋焊合不良問(wèn)題,且個(gè)別內(nèi)筋薄壁現(xiàn)象嚴(yán)重。故在原模具結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整。

3 模具結(jié)構(gòu)調(diào)整方案

3.1 方案1

在原模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,方案1增大幾根內(nèi)筋的供鋁量,來(lái)提高幾根內(nèi)筋的焊合質(zhì)量。 原模具結(jié)構(gòu)在融合口10a、11a和12a位置處穿洞大小均為20 mm×29 mm,順料長(zhǎng)100 mm。方案1設(shè)計(jì)融合口10a位置處為22 mm×29 mm,順料長(zhǎng)140 mm;融合口11a和12a位置的中部為29 mm×37 mm,順料長(zhǎng)140 mm,兩側(cè)為23 mm×37 mm,如圖14所示。所有水滴處圓角均由R4改為R3,如圖15所示,R角越小,繞流阻力越小,越有利于焊合。對(duì)于內(nèi)筋出現(xiàn)的薄壁現(xiàn)象,方案1將容易產(chǎn)生供料不足的內(nèi)筋相交厚點(diǎn)處工作帶的阻礙角去掉。

圖14 方案1設(shè)計(jì)內(nèi)筋成水滴形,形成引流槽Fig.14 The inner reinforcement is in the shape of water droplets and forming drainage groove by scheme 1

圖15 方案1設(shè)計(jì)水滴Fig.15 Water drop by scheme 1

3.2 方案2

采用方案1模具結(jié)構(gòu)的出料效果仍不理想,融合口10a位置處仍存在焊合質(zhì)量問(wèn)題。在方案1基礎(chǔ)上,將與10a位置處內(nèi)筋相連的實(shí)心厚點(diǎn)擋料臺(tái)適當(dāng)加寬,并將擋料臺(tái)與下模模孔處的間隙縮小。更改原理為進(jìn)一步縮小實(shí)心部分與幾條內(nèi)筋在模孔處金屬流動(dòng)的速度差,使?？滋幑╀X更均勻。在焊合室體積不變的情況下,擋料臺(tái)體積增大會(huì)增大靜水壓力,更有利于焊合。方案2將該實(shí)心部位擋料臺(tái)與?？椎拈g隙從1.5 mm縮小至0.5mm,并將該擋料臺(tái)寬度從20 mm加寬到25 mm,如圖16所示。

圖16 方案2設(shè)計(jì)實(shí)心部位的擋料臺(tái)Fig.16 The choke blocks at the solid part by scheme 2

4 結(jié)論

1)通過(guò)擴(kuò)寬加高水滴處的進(jìn)料洞,以及加長(zhǎng)順料斜坡,幾根內(nèi)筋的焊合質(zhì)量明顯改善,檢測(cè)無(wú)焊合不良情況。

2)在不改變擠壓機(jī)噸位和擠壓工藝參數(shù)的前提下,?？滋幐鱾€(gè)位置的供料情況和金屬流速,是影響擠壓型材焊合質(zhì)量的重要因素。對(duì)于截面形狀尺寸特殊、難成型且容易出現(xiàn)焊合問(wèn)題的型材,應(yīng)結(jié)合實(shí)際出料情況與經(jīng)驗(yàn),針對(duì)具體的焊合位置以及該位置處的模具結(jié)構(gòu)特點(diǎn),綜合分析。