蔡知之,張瑞芳,趙 帆,張志豪

(1.佛山市三水鳳鋁鋁業(yè)有限公司廣東省鋁型材加工與裝備企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 佛山 528133;2.北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院,北京 100083)

6×××系鋁合金空心復(fù)雜斷面型材是新能源汽車、高速列車等輕量化的關(guān)鍵材料之一[1-5]。該類型材經(jīng)過熱擠壓后,可利用熱擠后的余熱在線直接淬火,從而達(dá)到縮短生產(chǎn)周期、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、降低成本的效果,對(duì)于鋁合金產(chǎn)業(yè)具有重要意義[6-8]。然而,型材在線淬火過程的溫度場(chǎng)演變受到冷卻方式、型材自身形狀、擠壓出口溫度等諸多因素的影響,若在冷卻過程中出現(xiàn)較大溫差,會(huì)在型材內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力,從而影響其性能,甚至發(fā)生開裂、扭轉(zhuǎn)、翹曲等問題,大規(guī)格復(fù)雜斷面型材表現(xiàn)得尤為明顯。這對(duì)在線淬火冷卻過程中的溫度均勻性提出了更高的要求[9-11]。

以一種新能源汽車用6013鋁合金空心復(fù)雜斷面擠壓型材為例,通過試驗(yàn)測(cè)定了合金在不同冷卻條件下的換熱系數(shù),采用數(shù)值模擬研究了型材在線淬火過程中的溫度場(chǎng)演變規(guī)律,并以分區(qū)冷卻的方式優(yōu)化了在線淬火工藝,為該型材的工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 換熱系數(shù)測(cè)試

試驗(yàn)材料為6013鋁合金圓鑄錠,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為Al-0.92Si-0.83Mg-0.82Cu-0.26Mn-0.15Fe。將鋁合金加工成直徑15 mm、高15 mm的圓柱,并在底面中心位置加工直徑1.4 mm、深7.5 mm的圓柱孔,用于放置熱電偶。

將上述試樣加熱至550 ℃,隨后分別在空氣、水霧和水三種冷卻介質(zhì)中冷卻,根據(jù)熱電偶測(cè)得的試樣心部溫度,得到不同冷卻方式下的冷卻曲線。采用Deform-3D軟件Inverse Heat模塊反求出相應(yīng)的換熱系數(shù)曲線。采用Deform-3D軟件模擬驗(yàn)證換熱系數(shù)的準(zhǔn)確性。

1.2 擠壓型材在線淬火溫度場(chǎng)模擬

研究的型材寬度達(dá)630 mm,屬于大截面復(fù)雜空心型材,橫斷面形狀如圖1所示。采用Deform-3D數(shù)值模擬軟件模擬型材在線淬火的溫度場(chǎng)演變過程,考慮到型材左右對(duì)稱,因此采用1/2對(duì)稱模型,節(jié)省計(jì)算時(shí)間。如圖2所示,型材的初始溫度采用擠壓數(shù)值模擬獲得的型材出?？诇囟?選取5個(gè)典型位置:側(cè)翼邊緣表面(P1)、側(cè)翼表面(P2)、側(cè)翼與底邊連接處中心(P3)、側(cè)翼與底邊連接處表面(P4)、底板表面(P5)進(jìn)行溫度的定量分析。通過在型材表面加載不同的換熱系數(shù)模擬不同的冷卻條件。

圖1 型材橫斷面形狀

圖2 型材初始溫度分布和溫度定量分析位置點(diǎn)(1/2模型)

2 研究結(jié)果與討論

2.1 不同冷卻條件下的換熱系數(shù)

圖3為小圓柱試樣的空冷、噴霧冷和水冷冷卻曲線。在空冷條件下,試樣從550 ℃冷卻至室溫需要約600 s的時(shí)間;在冷卻初始階段,冷卻速度較快,溫度達(dá)到200 ℃需大約200 s;隨后冷卻速率逐漸減小,需400 s的時(shí)間才能從200 ℃冷卻到室溫。在噴霧冷卻條件下,試樣冷卻到室溫僅需約120 s的時(shí)間;在冷卻初始階段,溫度達(dá)到200 ℃需大約40 s;隨后,冷卻速率逐漸減小,需要約80 s的時(shí)間從200 ℃冷卻到室溫。水冷條件下的冷卻速率顯著增大,僅需約50 s就可以從550 ℃冷卻至室溫;且初始階段的冷卻速率很大,僅需約3 s就可以從550 ℃冷卻至200 ℃;隨后冷卻速率減小,逐漸冷卻至室溫。

圖3 淬火冷卻曲線

根據(jù)上述冷卻曲線,采用Deform-3D軟件反求出不同冷卻條件下的換熱系數(shù),如圖4所示?？梢?空冷時(shí)的換熱系數(shù)極小,而水冷時(shí)的換熱系數(shù)很大。噴霧冷卻時(shí)水流量為6 L/h。結(jié)合相關(guān)研究可知,水流量與界面換熱系數(shù)之間呈正比的關(guān)系。因此采用插值法來估計(jì)界面上的平均換熱系數(shù)，再將理論計(jì)算所得的數(shù)值應(yīng)用于型材在線淬火溫度場(chǎng)的模擬。表1為不同噴霧冷卻水流量所對(duì)應(yīng)的換熱系數(shù)。

表1 不同噴霧冷卻水流量所對(duì)應(yīng)的換熱系數(shù)

圖4 不同冷卻條件下的換熱系數(shù)

2.2 型材在線淬火過程溫度場(chǎng)分析

圖2中所示5個(gè)特征點(diǎn)淬火前的初始溫度如圖5所示,最大溫度與最小溫度的差值為31 ℃。結(jié)合圖2可以看出,型材的底板是大平面模型,形狀簡(jiǎn)單,在擠出過程中溫度場(chǎng)并未出現(xiàn)復(fù)雜變化,并且在整個(gè)結(jié)構(gòu)中溫度最低,為470 ℃。型材的側(cè)板則溫度略高,達(dá)到了505 ℃左右,且整個(gè)側(cè)板溫度分布有些許的差異。在側(cè)翼與底板的連接處,由于出現(xiàn)了拐角,在擠壓過程中可能會(huì)出現(xiàn)金屬堆積等現(xiàn)象,溫度分布極其不均勻,從480 ℃到490 ℃都存在?？紤]到存在溫度差異,在后續(xù)的冷卻過程中,關(guān)鍵問題是如何讓型材冷卻時(shí)在較短時(shí)間內(nèi)使型材的溫度場(chǎng)均勻化。

圖5 型材特征點(diǎn)淬火前的初始溫度

空冷狀態(tài)下,型材特征點(diǎn)的溫度變化如圖6所示。冷卻前,側(cè)翼和底板連接處溫差最大。冷卻10 s時(shí),兩處的溫差為22 ℃,整個(gè)型材的最大溫差僅為30 ℃;隨著冷卻過程的進(jìn)行,當(dāng)時(shí)間達(dá)到20 s時(shí),側(cè)翼同底板連接處的溫差開始變大,為29 ℃,此刻整體的溫差也開始增大,約為36 ℃,但增幅仍較小;當(dāng)冷卻過程進(jìn)行到30 s時(shí),溫度差略有減小;冷卻過程進(jìn)行到50 s,連接處的溫差仍保持在了36 ℃左右,整體的溫差在42 ℃。

圖6 空冷過程型材特征點(diǎn)的溫度變化

水冷狀態(tài)下,型材特征點(diǎn)的溫度變化如圖7所示。在1 s的時(shí)候,溫度就下降了約100 ℃,并且溫度的分布相較于空冷方式也較為均勻,各個(gè)點(diǎn)之間的溫差較小，原因可能為工件在水介質(zhì)中發(fā)生了強(qiáng)烈的熱交換。在3 s時(shí),側(cè)翼和底板的溫度差別不大,但底板與側(cè)翼連接處的溫度與其他地方存在溫差。分析導(dǎo)致此溫差產(chǎn)生的原因?yàn)閭?cè)翼和底板的面積較大且表面平整,熱交換時(shí)熱量向四周擴(kuò)散,反應(yīng)強(qiáng)烈,但連接處由于處于邊角部分,有一部分熱量在此處產(chǎn)生堆積,從而導(dǎo)致溫度比其他地方略高;由于該處的組成比較復(fù)雜,表層面積較小,接觸到冷卻介質(zhì)的表面略小,因此散熱效果差,最終結(jié)果為溫度變化緩慢。

圖7 水冷過程型材特征點(diǎn)的溫度變化

水流量6 L/h的噴霧冷狀態(tài)下,型材特征點(diǎn)的溫度變化如圖8所示。當(dāng)冷卻時(shí)間為1 s時(shí),側(cè)翼的溫度已經(jīng)冷卻到440 ℃,底板的溫度甚至低于400 ℃,但連接處的溫度卻是在455 ℃左右,這也可以看出噴霧冷方式的冷卻速度在水冷和空冷之間。在冷卻過程中,噴霧冷出現(xiàn)了與水冷相同的情況,即底板與側(cè)翼的冷卻速度相差不大,但兩者連接處的溫度下降卻是較為緩慢,溫度較高。在后邊的冷卻過程中,基本都是底板的溫度最低,側(cè)翼略高,而兩者連接處溫度最高。原因認(rèn)為與水冷時(shí)的一致,即底板與側(cè)翼處的熱交換較大,而連接處的較小;但同時(shí)除了溫差之外,型材的冷卻速度并不相同,薄且處于邊緣的地方冷卻速度較大,其他地方則較小。

圖8 噴霧冷過程型材特征點(diǎn)的溫度變化

2.3 型材分區(qū)噴霧冷卻過程分析

由于噴霧冷卻方式可控性較好,本試驗(yàn)采用分區(qū)噴霧控制冷卻的方法優(yōu)化淬火溫度場(chǎng)。分區(qū)控制冷卻的目標(biāo)是讓初始溫度高的、冷卻速度慢的和熱交換較慢的地方的換熱系數(shù)提高,增大其冷卻速度,使型材各個(gè)部位冷卻速度相對(duì)均勻?？紤]到溫度不均勻的位置主要是側(cè)翼同底板的連接處,并且這兩處的表面積略大,與介質(zhì)接觸的面積較大,因此在優(yōu)化過程中主要考慮側(cè)翼、底板和兩者連接處這三個(gè)位置,通過調(diào)整三處的噴霧水流量,進(jìn)而改變?nèi)叩膿Q熱系數(shù),來達(dá)到均勻溫度場(chǎng)的目的。底板面積大,熱交換較快,因此適當(dāng)減小噴霧水流量實(shí)現(xiàn),側(cè)翼也是同理;而對(duì)于兩者的連接處,表面積較小,熱交換較慢,需要適當(dāng)增大噴霧水流量實(shí)現(xiàn)。

優(yōu)化后三部分的換熱系數(shù)情況如圖9所示,底板平均換熱系數(shù)為140 W/(m2·℃),對(duì)應(yīng)噴霧水流量為5.5 L/h;側(cè)翼平均換熱系數(shù)為195 W/(m2·℃),對(duì)應(yīng)噴霧水流量為8.5 L/h;連接處平均換熱系數(shù)為285 W/(m2·℃),對(duì)應(yīng)噴霧水流量為11 L/h。分區(qū)噴霧冷卻時(shí),特征點(diǎn)溫度變化如圖10所示。第1 s時(shí),最高溫度仍出現(xiàn)在連接處，此時(shí)它的溫度為427 ℃,底板的溫度最低,僅為410 ℃,整個(gè)型材的最大溫差為17 ℃。第3 s時(shí),最低溫度降到了299 ℃,而連接處的溫度仍處于最高值,在315 ℃,此時(shí)側(cè)翼最上方冷卻得較快,而連接處的冷卻速度仍為最慢。第5 s時(shí),連接處的溫度已經(jīng)明顯高于周圍,但此處的冷卻速度也有所提升,與底板的溫差控制在了12 ℃,有明顯的優(yōu)化效果。第8 s時(shí),底板連接處與側(cè)翼的溫度已相差不大,此時(shí)底板、側(cè)翼、連接處的冷卻速度均明顯提升,整個(gè)型材的溫差為13 ℃。10 s時(shí),整個(gè)型材的溫差下降到了10 ℃。12 s時(shí),溫差也基本維持在10 ℃。整體噴霧冷12 s時(shí),最高溫度為110 ℃,最低溫度47 ℃,溫差最大達(dá)到了63 ℃。對(duì)比可知,分區(qū)冷卻后溫度場(chǎng)的優(yōu)化效果明顯,使型材冷卻過程中的溫度場(chǎng)較為均勻,能有效地防止因溫度不均勻而產(chǎn)生的開裂和扭轉(zhuǎn)等缺陷。

圖9 優(yōu)化后型材三部分的換熱系數(shù)

圖10 分區(qū)噴霧冷過程型材特征點(diǎn)的溫度變化

3 結(jié) 論

1)通過試驗(yàn)測(cè)試了6013鋁合金在空冷、噴霧冷和水冷三種冷卻方式下的冷卻曲線,根據(jù)反傳熱法求出三種條件下的平均換熱系數(shù),分別為0.000 05 W/(m2·℃)、160 W/(m2·℃)和5 kW/(m2·℃)。

2)6013鋁合金空心復(fù)雜斷面型材整體噴霧冷卻時(shí),溫度場(chǎng)出現(xiàn)不均勻的情況。冷卻12 s時(shí),最高溫度為110 ℃,最低溫度47 ℃,溫差最大達(dá)到了63 ℃。

3)提出了一種分區(qū)冷卻的方法,通過調(diào)整型材側(cè)翼、底板、連接處等位置的噴霧冷卻水流量,提高了冷卻過程的溫度場(chǎng)均勻性。優(yōu)化后,冷卻12 s時(shí),型材的最大溫差減小到8.5 ℃。