鋁擠壓帶板表面氣泡缺陷形成原因及解決方案探討

來臨 趙茂密 李飛龍

（廣西南南鋁加工有限公司，廣西 南寧 530031）

【摘 要】鋁擠壓帶板是鋁合金擠壓材料中常見的產(chǎn)品類型，用途廣泛，在建筑、交通領(lǐng)域的用量巨大，也是各鋁合金加工廠常生產(chǎn)的產(chǎn)品。鋁擠壓帶板在生產(chǎn)過程中產(chǎn)品容易產(chǎn)生表面氣泡缺陷，程度輕微時會影響產(chǎn)品外觀，增加工人后續(xù)打磨氣泡的工作量，嚴(yán)重時會造成產(chǎn)品報廢，降低成材率或增加產(chǎn)品失效風(fēng)險。文章根據(jù)對帶板擠壓生產(chǎn)過程的觀察分析及實(shí)驗結(jié)果，總結(jié)在擠壓過程中氣泡形成的原因，為鋁合金帶板擠壓生產(chǎn)氣泡的問題提供了相應(yīng)的控制措施。

【關(guān)鍵詞】鋁擠壓；帶板；表面氣泡

【中圖分類號】TG379 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）04-0105-04

0 前言

鋁合金擠壓帶板是鋁制品中常見的產(chǎn)品形式，用于建筑、航空、軍工等民用和國防尖端領(lǐng)域。它也是各個鋁加工廠經(jīng)常生產(chǎn)的產(chǎn)品類型，它的厚度和寬度也有多重規(guī)格。擠壓帶板表面產(chǎn)生氣泡，為帶板常見缺陷，氣泡缺陷嚴(yán)重影響了帶板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外觀及產(chǎn)品性能，程度輕微時會影響產(chǎn)品外觀，增加工人后續(xù)打磨氣泡的工作量。嚴(yán)重時，降低了成材率或增加了產(chǎn)品失效風(fēng)險，造成廢品，給生產(chǎn)帶來極大的浪費(fèi)和損失。特別是2、5、7系硬鋁合金帶板的生產(chǎn)，如果處理不當(dāng)，極易出現(xiàn)氣泡現(xiàn)象。因此，本文分析了帶板擠壓階段產(chǎn)生氣泡的原因，并針對原因制訂了解決方案，可以減少此缺陷的發(fā)生概率，以及降低問題發(fā)生后的嚴(yán)重程度。

1 氣泡的形態(tài)

擠壓帶板表面氣泡如圖1所示，缺陷輕微時會形成連續(xù)或不連續(xù)的點(diǎn)狀氣泡存在于整支或部分?jǐn)D壓帶板的表面，常表現(xiàn)為點(diǎn)狀氣泡呈直線排列，氣泡的直徑為1～10 mm。

擠壓帶板表面氣泡如圖2所示，缺陷嚴(yán)重時會產(chǎn)生較大的鼓包，如果將其表面一層切開會發(fā)現(xiàn)，表層金屬與內(nèi)部金屬已經(jīng)分層；或?qū)⒈砥よ忛_，則會露出較深的孔洞或凹陷。

2 氣泡形成的原因

為了證明氣泡的來源，本文以5083鋁合金帶材為研究對象進(jìn)行分析和查找原因。5083合金在國標(biāo)中的化學(xué)元素（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）見表1。

查詢此批鑄錠在熔鑄鑄造階段的流槽成分見表2。

流槽化學(xué)成分無異常，證明鑄錠是合格無夾雜的。經(jīng)過擠壓生產(chǎn)之后，將帶材的頭尾部余料上的氣泡部分截取，并對氣泡內(nèi)表面金屬進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表3。

由表3可知，氣泡中未含有C、O、S、Cl、Ca等雜質(zhì)，成分與5083合金成分一致，說明氣泡不是由于夾雜物引起，而是由于空氣進(jìn)入鋁合金內(nèi)部而產(chǎn)生的氣泡。進(jìn)而推斷出外部氣體進(jìn)入金屬表面為鋁合金帶材表面氣泡缺陷的主要成因。因此，將防控的重心放在如何防止外部氣體在擠壓過程中進(jìn)入材料表面。

擠壓帶板產(chǎn)生表面氣泡主要是由以下幾個因素引起。

（1）擠壓墩粗階段，在擠壓筒內(nèi)的鑄錠未能得到充分墩粗，導(dǎo)致排氣不完全，殘留的氣體隨著擠壓進(jìn)入模具中，如果帶板模具內(nèi)腔角度平緩，則氣體將由鋁合金帶板頭部帶出，形成1個或少數(shù)幾個大氣泡。如果帶板模具沒有導(dǎo)流，內(nèi)腔有較大角度，氣體則會積聚在擠壓死區(qū)，難以隨鋁合金快速帶出，則會出現(xiàn)帶板表面長達(dá)幾米，甚至整支帶板表面斷斷續(xù)續(xù)出現(xiàn)呈直線排列的點(diǎn)狀氣泡。

排氣不完全的原因也可能與以下因素有關(guān)：①合金變形抗力大，墩粗壓力給予不足。②擠壓比過大，導(dǎo)致帶材在墩粗階段就已經(jīng)突破工作帶被擠壓出，墩粗壓力未能完全作用于鑄錠的形變而是已經(jīng)轉(zhuǎn)化為擠壓力，造成擠壓筒內(nèi)鑄錠未能完全敦粗。③鑄錠的溫度梯度設(shè)置不當(dāng)，造成鑄錠局部溫度過高，進(jìn)而在墩粗時造成高溫區(qū)變形過大，低溫區(qū)變形不足，氣體未能完全排出。④鑄錠直徑太小，與擠壓筒的間隙過大，無法將氣體完全排出，造成排氣不足。⑤在正向單動擠壓機(jī)的情況下，鑄錠送入擠壓筒時，鑄錠未能固定在擠壓筒正中間，導(dǎo)致鑄錠截面與擠壓筒上下左右間距不等，在墩粗過程中鑄錠不能發(fā)生均勻形變，空氣易積存在某個方向上，進(jìn)而形成空腔氣泡。

（2）鑄棒擠壓結(jié)束后主剪剪切壓余，由于帶板模具導(dǎo)流設(shè)計較淺，主剪產(chǎn)生的剪切力將鋁材往后帶出一段，導(dǎo)致壓余與模具內(nèi)殘鋁分離不良，在模具內(nèi)腔產(chǎn)生空腔，空腔的氣體進(jìn)入下一根鑄錠的鋁材中，也會在帶板表面產(chǎn)生氣泡（如圖3所示）。

（3）擠壓所用的鑄棒原料如果表面殼層較厚且凹凸不平，在擠壓墩粗階段中不能完全消除表面缺陷的時候，擠壓筒與鑄錠之間空隙中的氣體進(jìn)入帶板中，也會產(chǎn)生表面氣泡。

（4）模具設(shè)計不合理，特別是導(dǎo)流部分的設(shè)計尤為重要。

（5）擠壓所用的鑄棒原料鋁合金在熔煉和鑄造過程中，由于原料、工具、精煉劑等不清潔、干燥不徹底，容易將水（水蒸氣）和氧氣帶入溶體中，鋁和水產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氧化物、氫氣和游離的氫原子，這就成為鑄錠氫氣的來源。如果鑄錠在精煉階段未能除氫凈化干凈，氫氣則溶于鑄錠內(nèi)部形成熔鑄氣泡缺陷，氣泡缺陷隨著擠壓加工很可能也帶到擠壓帶材中，氣泡在加熱過程中膨脹，形成極大的壓力，進(jìn)而形成擠壓氣泡。但由于溶體內(nèi)氫含量不會很高，一般此原因形成的氣泡不會造成表面分層鼓包等缺陷，而是形成材料內(nèi)部深層的氣孔、夾雜缺陷，氣孔形狀不會太大且分布并不密集。

（6）擠壓筒內(nèi)殘鋁過多，與后一根鑄錠原料一起擠出后，2個部分的金屬不能融合，因此產(chǎn)生分層，分層之間也易分離，形成氣泡。因為殘留在擠壓筒內(nèi)的金屬一般來說量不大，所以氣泡的深度會很淺，甚至不會形成氣泡，而是形成很薄的薄片黏附在排材表面。

（7）擠壓筒內(nèi)襯刮傷或是擠壓筒內(nèi)襯漲肚，導(dǎo)致擠壓筒不能和鑄錠緊密接觸，內(nèi)部氣體在擠壓階段被逐步帶入制品當(dāng)中，形成氣泡。

（8）鑄錠表面臟污、有油污，或者是擠壓筒內(nèi)部有油污或潤滑劑，雜質(zhì)進(jìn)入帶板內(nèi)部表面造成分層，形成氣泡。

3 解決方案

（1）對于敦粗不完全所造成的氣泡，可以通過調(diào)整擠壓工藝和設(shè)備來解決：①增大擠壓墩粗壓力，特別是2、5、7系硬質(zhì)鋁合金生產(chǎn)中尤為重要，因硬合金變形抗力大，所以需要將擠壓機(jī)擠壓墩粗壓力調(diào)校至比軟合金大50%左右，才能將鑄錠充分墩粗，在之后的排氣階段充分排氣，能消除或減少帶板表面氣泡。②增加墩粗的次數(shù)，通過多次敦粗排氣，相當(dāng)于增加了墩粗的時間，在擠壓比大的帶材生產(chǎn)中，多次排氣比單純增大墩粗壓力帶來的效果更明顯。③因硬合金帶材擠壓生產(chǎn)速度較慢，鑄錠停留在擠壓筒的時間較長，鑄錠在停留的過程中溫度會趨向頭尾相同，所以在設(shè)定鑄錠加熱溫度梯度時，可適當(dāng)將鑄錠中間的溫度調(diào)高，在墩粗的過程中中部高溫區(qū)首先變形，將氣體向擠壓桿側(cè)及模具兩側(cè)排出，防止發(fā)生氣體集聚在擠壓筒中間難以排出的情況。而在長時間的生產(chǎn)過程中，鑄錠也能在擠壓筒的熱傳遞中逐漸將鑄錠溫度均衡。④鑄錠直徑原則上越接近擠壓筒內(nèi)徑則產(chǎn)生氣泡的概率越小，但由于鋁合金鑄錠加熱后會產(chǎn)生熱膨脹，而且還需要考慮鑄錠自身的彎曲度，對于前上料擠壓機(jī)型來說，如鑄錠與擠壓筒間隙過小則容易在進(jìn)料過程中發(fā)生刮鋁，因此建議鑄錠和擠壓筒之間至少還需要單邊12 mm的間隙。⑤調(diào)整擠壓機(jī)送錠設(shè)備的高度或行程，使鑄錠在定位時放置于擠壓筒的正中，即鑄錠截面四周與擠壓筒內(nèi)壁的間隙相等，這樣在墩粗過程中，鑄錠能夠發(fā)生均勻地形變，形成鼓型墩粗，氣體在排氣階段易從擠壓墊的間隙及擠壓筒與模具之間的縫隙排出，不會造成氣體的集聚。

（2）合理制定壓余厚度，過厚的壓余會增加主剪帶出殘鋁的長度，過薄的壓余則會增加縮尾夾雜進(jìn)入產(chǎn)品的風(fēng)險，也不利于生產(chǎn)效率的提高。合理的壓余厚度可以改善主剪剪切口的效果，防止主剪剪切力將帶板向后拉扯，導(dǎo)致剪切切面不平整。一般壓余厚度控制在60～120 mm為宜。

（3）對于有導(dǎo)流的帶板模具，導(dǎo)流形狀可以設(shè)計成沿著擠壓鋁流的方向喇叭口。對于2、5和7系硬合金擠壓帶板，盡量不用擴(kuò)展擠壓，如果在擠壓比太大的情況下，擴(kuò)展角度也要≤30°，減小金屬在模腔內(nèi)流動的角度，防止擠壓死區(qū)的產(chǎn)生，避免出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)呈直線排列的點(diǎn)狀氣泡的情況。

（4）在鑄錠熔鑄階段加強(qiáng)對金屬熔體的精煉，采用高效率的除氫精煉設(shè)備進(jìn)行除氣，具體的方法有增加通惰性氣體的時間和增加惰性氣體的排量等。每次鑄造前在流槽進(jìn)行多次的氫含量檢測，保證熔體中的氫含量達(dá)到要求的低水平。鑄造過程保持環(huán)境干燥，盡量避免在潮濕、陰雨天氣鑄造硬合金鑄錠。投入返回廢料時，建立嚴(yán)格的廢料返回制度，保證廢料中的雜物、積水不混入熔煉爐中，特別是以鋁屑為主的廢料中經(jīng)常含有切削液、冷卻水等，嚴(yán)重影響了原料的質(zhì)量。如果計劃鑄造高質(zhì)量的鑄錠，要少投或不投含雜質(zhì)多的返回料，或是烘爐烘干爐內(nèi)水蒸氣，從源頭上防止水分進(jìn)入。

（5）控制鑄錠原料的表面質(zhì)量，避免鑄錠表面產(chǎn)生較大的缺陷，在生產(chǎn)之前，對鑄錠表面進(jìn)行檢查，防止鑄錠表面有超過2 mm的凹凸、孔洞；對鑄錠進(jìn)行清理，如有必要，必須對鑄錠進(jìn)行車皮加工，將表皮冷隔、金屬瘤、殼層等缺陷消除，并且保證鑄錠表面沒有灰塵、雜物、油漬等。

（6）定期清理擠壓筒和擠壓墊，不同合金生產(chǎn)之前必須清理擠壓筒內(nèi)部，進(jìn)行一次或多次清筒操作，將殘鋁和雜質(zhì)的影響去除。

（7）定期對擠壓筒內(nèi)襯內(nèi)壁進(jìn)行檢查，如果發(fā)現(xiàn)漲肚、明顯刮傷等缺陷，盡快將內(nèi)襯拆下，進(jìn)行機(jī)加工車內(nèi)圓處理或者對內(nèi)襯進(jìn)行更換。

（8）油性脫模劑為有機(jī)物，遇熱容易分解，形成CO、CO2、SO2等氣體，而且脫模劑中的石墨進(jìn)入金屬當(dāng)中會形成非金屬夾雜，導(dǎo)致金屬分層，因此在生產(chǎn)中應(yīng)盡量減少使用油性脫模劑等對擠壓筒內(nèi)腔、擠壓墊工作帶、主剪剪切刃部分進(jìn)行潤滑。即使非要潤滑擠壓墊時，也要防止?jié)櫥瑒┻M(jìn)入擠壓筒內(nèi)部。

4 結(jié)語

（1）在鋁合金擠壓帶板生產(chǎn)中產(chǎn)生氣泡缺陷的原因，除了本文列舉的之外，還有其他各種特殊情況使氣體進(jìn)入制品中，特別是擠壓設(shè)備形式多種多樣，還存在反擠壓、雙動擠壓、立式擠壓等多種生產(chǎn)形式，而本文的生產(chǎn)經(jīng)驗只局限于正向單動擠壓生產(chǎn)，還具有一定的局限性，還需要現(xiàn)場操作人員和管理人員在生產(chǎn)中仔細(xì)觀察分析生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝，深層次地發(fā)掘其潛在的原因，徹底防止產(chǎn)品表面氣泡缺陷的產(chǎn)生。

（2）經(jīng)過對解決方案的實(shí)踐，廣西南南鋁加工有限公司生產(chǎn)的大量2、5和7系硬合金擠壓帶板，一次加工成品率提高了21%，降低了后續(xù)加工的成本，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，打開了擠壓板帶材市場。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]劉海江，黃晶，周德欽，等.7075鋁合金厚板表面氣泡原因的分析[J].輕合金加工技術(shù)，2005（8）.

[2]王鳳春.2A14鋁合金棒材表面氣泡的分析[J].輕合金加工技術(shù)，2015（2）.

[3]王日益，郭建峰，韋海弟.光電直讀光譜儀在鋁合金分析中的應(yīng)用研究[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2014（11）.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]

【作者簡介】來臨，男，廣西南寧人，廣西南南鋁加工有限公司助理工程師，從事鋁型材生產(chǎn)管理工作；趙茂密，男，廣西上思人，廣西南南鋁加工有限公司工程師，從事鋁型材生產(chǎn)工藝設(shè)計工作；李飛龍，男，廣西梧州人，廣西南南鋁加工有限公司工程師，從事鋁型材擠壓模具設(shè)計、研發(fā)工作。