铝合金空心型材挤压焊合问题的研究进展

罗铭强，郑健全

（广东兴发铝业有限公司，广东 佛山 528300）

平面中分模的原理是实心锭在挤压中力的作用下，钢锭通过开孔时会被分成多个金属流。然后在高温、高压、高真空的焊接室内重新焊接。最后，通过模芯与下模之间的间隙，满足尺寸要求的管材或空心型材。分模挤出具有生产效率高、周期短、能生产出截面复杂、壁厚差大的型材等优点，近年来得到了迅速发展。广泛应用于无独立冲孔系统的挤出机上，生产不同种类的普通和军用空心型材。但是，平面分流模的挤压也存在一些缺点。在“锭对锭”不中断挤压下，采用中分模挤压的铝合金空心型材既有纵向焊缝，也有横向焊缝方式。纵缝位于分流器大剪应变区下，其位置取决于出铁口布置。这种结构方式在正极氧化后极会出现织构或异常晶粒尺寸区域（如再结晶晶粒），横向焊缝是不间断的两个拥挤的之间的接口，其焊接过程包括高温压力焊接和剪切接触[4]。铝合金结构型材作用失效的地方通常出现在焊接界面处，而不良的焊缝往往没有孔洞，因此使用无损检测技术难度很大，这较大的限制了中分模的使用。

1 挤压焊缝的形成

1.1 横向焊缝

横向焊缝的焊接机理涵盖两个配合面和高温高压塑料作用下的氧化层变形。因为接触面粗糙的原因，部分空气会进入焊缝中。随着挤压压力的增加，越来越多的表面会出现接触的情况，一般情况下氧化层塑性会比母材低。因此，在大的塑性变形条件下，氧化层会被分解成分离的氧化物颗粒。然后，全新的基体金属会进入破碎的氧化物颗粒间的地方，形成接触。最后实现了高压下的横向焊接。横向焊缝多出现在新毛坯和压坯前的接触面上，实质上是两个不间断挤压锭间分开的地方。横向焊缝在空心型材中通过挤压的方向会出现“舌”状或“抛物线”状，型材剖面上的截面形状会很久挤压物品的长度发生改变。抛物线顶部的焊接质量最低，型材头部应报废（连续产品除外，如卷材生产）。横向焊缝是将新的铸锭材料挤压到原来的铸锭中而产生的，因此横向焊缝的技术术语是“装药焊缝”。横向焊接通常发生在铸锭对铸锭挤压或带导腔的分模挤压中。

1.2 纵向焊缝

纵向焊缝是劈裂后材料在焊接室内重新组合形成的结合面，其位置一般固定在模桥下。纵向焊缝是分流焊挤压制品的重要特征。由于这种焊缝总是存在于型材的长度方向上，所以其专业术语为“纵向焊缝”，而纵向焊缝只存在于中分模挤压中。

2 模具结构及挤压工艺对焊合质量的影响

组合模结构复杂，全过程在封闭挤压生产环境中。直接研究型腔内金属的成形过程是一个难点。因此，模具型中金属移动和焊缝成形的实验也很有限。在这样的影响下，依靠有限元技术的数值模拟方法已成为显示金属在型腔中流动和计算焊接参数不可缺少的手段。采用有限元方法研究了预热温度、工作带长度、型材壁厚和挤压比对钢锭焊接压力和表面缺陷的影响。通过胀形实验研究了工艺参数对焊接质量的影响。结果表明，随着挤压比、钢锭预热温度和工作带长度的增加，焊接压力增大。当工作带较短时，在扩展的实验条件下，焊接接头的膨胀率最低，即焊接强度差；随着坯料预热温度的增加，在成形表面上形成焊缝缺陷的概率降低。工作带长度越短，形成焊缝的可能性越小。固定挤压比，改变型材厚度，型材表面缺陷（焊缝）变化不大。采用新型钢，以焊缝为中心的方法，研究了模具结构对焊接质量的影响[5]。结构变量是进料板的尺寸、焊接室的高度、坯料的预热温度和挤压速度。以非焊接样品的强度和等效断裂应变作为评定焊接质量的标准。据结果得出，送样板孔径越大，挤压速度越快，焊接压力越大。改变送样板的尺寸和焊接室的大小可以使型材的性能达到更高的标准，但扩大焊接室的大小能够对型材的焊接质量得到提高。焊接质量更高，断裂应变越大，因此裂纹扩展实验可以更好地表征焊接质量。

通过改变焊接腔的高度、不间断焊接面面积和模桥形状的方法，说明了焊接接头表面压力和样品数据的关系[6]。结果表明，随着焊接室高度的增加和不间断焊接表面减小接触面积和增大焊接压力有利于提高焊接质量。焊接室高度的增加和焊接角的减小都会提高焊接接头的质量。

对焊接过程的有限元模拟做了更详细的工作。采用改进网格法的二维有限元模拟了分体挤压的全焊接过程，即空模挤压和铸锭对铸锭挤压的方法。在空模挤压过程中，挤压焊接的形成过程是两种金属在挤压力作用下的对接焊接；在钢锭连接的情况下，形成挤压焊缝的金属来自最后一个挤压钢锭的残余，焊缝处的残余金属量随着长度的增加而减少特别是当模桥下缘为矩形过渡时，残余金属始终存在于焊缝处，最终形成的结论与文献一致。

分别采用变形二维、矩形和三角形模具的尺寸和桥下的材料流动、应变速率和拉伸面积进行比较。根据结果可以得出，倒三角模桥结构在焊接室高度方向的应变速率为V形，矩形模桥结构在焊接室高度方向的应变速率为X形。倒三角模桥结构的最大应变率和最大拉伸面积更接近模桥下端，所以时间的较长的时间可以让死区更小，对焊接会有更大的作用。

利用二维有限元模型演示了分流孔截面不均匀对金属流动和焊接数据的影响，将模桥从中心向一侧移动。结果表明，随着分流孔面积差的增大，焊接表面发生了较大的变形，分流孔面积越小，相应的金属流动速度大约为零，这改变了焊接机理和死区的流动分布区域。研究得出的结论对横向焊缝的形成赋有不可替代的意义。通过对横向焊缝成形过程的模拟，指出增大焊接室底角有利于减小横向焊缝长度。比较用虚拟仿真方法研究了平行焊缝挤压过程。

通过轧制压下量的变化模拟了焊接室高度对焊接压力的影响，并考虑了轧制温度与金属流动的关系。轧制试验表明，提高焊接室高度和焊接温度有利于提高焊接质量。

在Gleeble热模拟机上模拟了不同模桥形状和表面接触条件下纵向焊缝的形成过程，得到了各种焊接缺陷及相应的焊接组织，有利于补充纵向焊缝的固态焊接理论[7]。

3 焊合问题的最新研究进展

现如今，国内外的研究工作大部分是在铝钎料挤压生产能力上。近五年来，外国学者对这一问题的研究已扩增到对航空用铝型材焊接质量的更为详细的研究、型材切割长短的精确计算和焊接质量力学性能的表征等方面，使得生产效率大大提高随着数值模拟技术的推广，对铝合金空心型材挤压加工方法的认识不断加深，分体挤压产品的适用范围更加广阔。国外学者提出的“蝴蝶模型”观点是这个研究得出的结果最好的表现，福萨诺娃、almax Mori等公司的进一步发展得到了大多数欧洲客户的广泛认可和采纳[8]。这种模具的分流桥比传统分流模的分流桥低，用于减小挤压力，使模具使用时间更长，改善金属移动的匀称性。分流桥设计成弯曲的弓形，使模具桥下金属的移动发生了改变，更为高效的减少了死区的出现，改善了焊接组织和性能。在此基础上，提出了“表面加宽”理论，从实验方面进一步完善了焊接规范。

随着我国高速铁路和航空行业的快速发展，由于中分模挤压在空心型材生产中具有不能被其他东西所代替的优势，铝合金型材的使用地方逐渐从普通群众的使用扩展到工业和国防。特别是对结构型材和耐腐蚀型材的强度要求越来越高，所以挤压焊接被视为制约型材力学性能和耐腐蚀性能较差的地方，应改变对其的看法。然而，我国铝型材挤压行业具有规模大、产量高的特点，其生产的目的是生产普通建筑和装饰型材[9]。长期以来，忽视了高精度、质量较高的铝合金型材的研究和生产。关于铝合金焊接组织和力学性能的研究几乎是空白，对新型模具（如蝶形模具）的认识和发展基本概念处于空白状态，极大地制约了铝挤压工业的发展和工业与国防的进步。为提高空心铝型材挤压焊接质量，应考虑以下几个方面：①继续开发数值模拟平台和物理模拟手段，并从模具结构与焊接接头显微组织的关系出发，深入研究了组织对焊接质量的影响；②大力发展和应用蝶形模具；③建立铝型材焊接质量的评定标准和评定力度，是铝型材力学性能的表征方法[10]。