汽車車身覆蓋件用鋁合金板帶材生產(chǎn)工藝概述

馬玉蕊，張 瑜

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039 )

隨著中國汽車產(chǎn)量的不斷攀升，能源短缺及環(huán)境污染已經(jīng)成為制約我國汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的突出問題，低油耗、低排放的汽車成為節(jié)約型社會發(fā)展的需要，汽車輕量化可以在降低能耗排放的同時滿足人們?nèi)找嬖鲩L的汽車消費需求。有研究表明，當整車重量減輕10%時，二氧化碳排放量減少4.5%。如果采用鋁合金板材替代傳統(tǒng)的鋼板制造車身，減重效果可達40%～50%[1]。

汽車用鋁合金板帶材主要包括汽車車身覆蓋件、汽車車身結(jié)構(gòu)件、客貨汽車蒙皮板。根據(jù)使用部位的不同，使用的材料不同，要求的性能也不同。覆蓋件用板主要包括5xxx系和6xxx系合金，比如5182合金、5754合金等常用于車門內(nèi)板；6A16合金、6111合金、6013合金、6014合金、6016合金用于前引擎罩蓋內(nèi)外板。車身覆蓋件用板按照使用特性分為5類，包括標準板(S)、高烘烤硬化板(IBR)、高翻邊板(IH)、高強板(HS)、低應(yīng)變板(RSS)。本文主要介紹車身覆蓋件用鋁合金板帶材的生產(chǎn)工藝。

1 主要性能

車身覆蓋件用鋁合金板帶材的性能要求主要有，室溫拉伸力學(xué)性能(表1)，良好的烘烤硬化性能，翻邊性能等級要求為1級或2級，漆刷線等級為1級或2級。車身覆蓋件用鋁合金板帶材的主要工藝流程為，鑄錠—熱軋—冷軋—熱處理—表面處理—預(yù)時效—剪切，如圖1所示。

表1 車身覆蓋件用板、帶材的室溫拉伸力學(xué)性能[2]

圖1 車身覆蓋件用鋁合金板帶材生產(chǎn)工藝流程

2 冷軋

半連續(xù)鑄造的鑄錠經(jīng)過加熱/均勻化后，熱軋至2.5mm～6.0mm厚的熱軋卷，進入冷軋機進行多道次軋制。

車身覆蓋件用鋁合金板帶材表面一般要求EDT(電火花毛化工藝)表面。其EDT表面生產(chǎn)方式是冷軋機在軋制最后一道次時換上特制的光軋輥，并施加較小的的軋制力進行軋制，對帶材通常是<4%的加工率。這種軋制技術(shù)對軋制速度、潤滑條件、軋制力及其穩(wěn)定性有非常嚴格的要求。普通冷軋機通常是大壓下量、大軋制力生產(chǎn)，因此對于既生產(chǎn)汽車板又生產(chǎn)其它產(chǎn)品的軋機來說最小和最大軋機力能的相差很大，如何保證穩(wěn)定生產(chǎn)是設(shè)計的難點。國內(nèi)目前寶武鋁業(yè)科技有限公司、西南鋁業(yè)有限責(zé)任公司新增設(shè)的冷軋機都有EDT軋制模式。也有使用專用EDT軋機的，比如山東南山鋁業(yè)股份有限公司。EDT軋制的目的是對帶材進行表面毛化，使其表面沒有明顯的軋制方向，可減少汽車生產(chǎn)廠家在疊層沖壓時的潤滑難度。經(jīng)過毛化軋制后帶材表面橫向粗糙度Ra值約為0.7μm～1.3μm。

3 連續(xù)熱處理

車身覆蓋件用鋁合金板帶材生產(chǎn)工藝流程難點在于連續(xù)固溶熱處理工藝。根據(jù)合金品種不同，固溶處理的加熱速度、固溶溫度、保溫時間、溫度控制精度都是重要的工藝參數(shù)，其中冷卻速率對時效態(tài)的性能產(chǎn)生重要影響。因為工藝復(fù)雜其主要設(shè)備氣墊式帶材連續(xù)熱處理線大部分是國外的設(shè)備，只有很少是國內(nèi)設(shè)計制造的。近年來(2014年至今)國外企業(yè)有新增鋁合金氣墊式帶材連續(xù)熱處理線的鋁加工工廠見表2。國內(nèi)裝備有鋁合金氣墊式帶材連續(xù)熱處理線的鋁加工工廠見表3，這類生產(chǎn)線一般可以生產(chǎn)汽車板同時兼顧生產(chǎn)高性能要求的硬合金板、航空板等產(chǎn)品。

表2 國外企業(yè)鋁帶材氣墊式帶材連續(xù)熱處理線

表3 國內(nèi)企業(yè)鋁帶材氣墊式帶材連續(xù)熱處理線

3.1 生產(chǎn)工藝

冷軋帶材首先進入入口段，在入口段主要完成上卷、開卷、剪切料頭等工序，入口段還有卸套筒功能。配置有上卷車、開卷機、矯直機、剪切機、帶材縫合機、切頭剪、月牙剪、切邊剪和碎邊剪。然后進入入口活套，入口活套的作用是保證在入口換卷時可以提供這一段時間內(nèi)連續(xù)運行的帶材。

隨后進入預(yù)清洗段，常用的配置是堿洗和漂洗。工藝流程是，堿洗—清水漂洗—清水漂洗—擠干—吹掃—烘干。堿洗溫度一般在65℃～75℃，處理時間為3s～5s。通過風(fēng)機將此段的堿霧抽吸至洗滌塔中和，達標后排放。

經(jīng)過預(yù)清洗后的帶材會進入氣墊爐段。固溶/退火工藝根據(jù)合金來選擇，有研究表明Al-1.3Mg-1.3Si-0.6Cu-0.3Mn-0.3Fe(6xxx系合金)冷軋薄板的最佳固溶制度為540℃～560℃，保溫1min～10min，固溶時間可隨固溶溫度的升高適當縮短[3]。

對于熱處理不可強化的5xxx合金進行退火處理。有研究表明5182冷軋板材在爐內(nèi)溫度達到325℃，保溫30min時，板材已經(jīng)發(fā)生完全再結(jié)晶，應(yīng)變硬化指數(shù)達到0.4[4]。帶材保溫后進入冷卻段冷卻。一般熱處理可強化的2xxx系、7xxx系鋁合金采用水淬,6xxx系鋁合金采用風(fēng)淬。

為保證熱處理后的鋁帶材板形良好，后續(xù)進入拉矯段，一般采用拉伸彎曲矯直工藝。(對于較薄的帶材需采用純拉伸模式)。然后進行表面處理，其工藝流程為，堿洗—漂洗—酸洗—鈍化。鈍化的目的是在材料表面形成一層化學(xué)轉(zhuǎn)換膜，提高工件表面的耐腐蝕性及附著力，獲得最佳的涂裝基層，更好地與最終涂層(油漆)結(jié)合。鈍化處理有噴涂、浸涂和輥涂3種方式。

表面處理后要進行預(yù)時效處理，原因是T4態(tài)6xxx系鋁合金車身板經(jīng)170℃烤漆處理時，烤漆初期合金板材中自然時效形成的GP區(qū)將不可避免發(fā)生部分溶解，由于烤漆時間較短(不超過30min)導(dǎo)致未溶的GP區(qū)來不及長大，使合金板材的強度降低，出現(xiàn)烤漆軟化現(xiàn)象。一些研究指出預(yù)時效對于加快低溫短時間時效硬化速度是一種有效的手段，因為預(yù)時效可能會通過改變合金顯微組織中原子集團的尺寸或狀態(tài)影響隨后的時效析出過程。合金固溶淬火后，如果立即進行預(yù)時效，基體中將形成大量穩(wěn)定的、尺寸較大的β″相核心，從而造成過飽和固溶體中溶質(zhì)原子分布不均勻，降低了非β″核心處機體中溶質(zhì)原子的過飽和度，抑制了隨后自然時效時的硬化效果。同時預(yù)時效過程形成的大量的β″核心，在隨后的模擬烤漆時，將促進β″相的均勻析出，從而產(chǎn)生明顯的烤漆硬化效果。

根據(jù)下游廠家的要求，帶材一般需要涂油，涂油方式有干式涂油和濕式涂油兩種方式。下一步帶材將進入出口活套，出口活套是為了保證在卸卷時出口段能夠連續(xù)運行。最后進入出口段，出口段完成剪切、上套筒、助卷、卷取、卸卷，最后將合格的帶材運出。

3.2 工藝布局

目前，使用氣墊式帶材連續(xù)熱處理線生產(chǎn)的工廠大部分采取了廠房封閉和設(shè)備局部密閉的措施。這是因為此類生產(chǎn)線很長，如果生產(chǎn)環(huán)境不進行管理，則張力輥及傳送輥表面均有可能吸附灰塵，影響板面質(zhì)量。

此類生產(chǎn)線布置有兩種方式，方式一：熱處理線、表面處理線集成為一條線；方式二：熱處理生產(chǎn)線和表面處理線分開。集成線的特點有，(1)化學(xué)處理段的速度為跟隨速度，生產(chǎn)線的速度由熱處理段工藝速度決定；(2)航空板等無需化學(xué)處理的產(chǎn)品需要通過化學(xué)處理段，此時化學(xué)處理段噴桿梁、導(dǎo)輥等經(jīng)過去離子水和壓縮空氣吹洗及人工沖洗，頂面有水滴落的可能性。拆分線的特點有，(1)能最大程度釋放化學(xué)處理段的產(chǎn)能；(2)生產(chǎn)速度恒定，化學(xué)處理時間控制比較精確，涂層膜均勻性比較好。

兩種生產(chǎn)線各有其特點，因此兩種方式均有廠家采用，比如天津忠旺鋁業(yè)有限公司采用的是集成線，中鋁瑞閩股份有限公司采用的是拆分線。

3.2.1 開卷機、卷取機的布置

對于氣墊式帶材連續(xù)熱處理線來說入口段要進行上套筒、縫合、切邊工序，輔助時間較長，一般采用雙開卷的布置方式，1號開卷機采用上開卷下偏導(dǎo)輥的布置方式，2號開卷機采用上開卷上偏導(dǎo)輥，如圖2所示。比較2號開卷機上開卷下偏導(dǎo)輥的布置方式，這種布置方式可以減少2號開卷機的基礎(chǔ)深度。

1-1號開卷機；2-2號開卷機

出口段只是完成切尾和助卷、卸卷，輔助時間較短，采用一臺卷取機即可滿足要求。但也有采用兩臺卷取機的設(shè)計，目的是為了提高工藝段速度。

3.2.2 活套的布置

活套的形式有水平活套和立式活套兩種。這兩種活套都可設(shè)計成兩種類型即鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)。目前使用較多的是水平活套和鋼結(jié)構(gòu)的組合，因為水平活套可以降低設(shè)備的總體高度，降低土建成本。采用鋼結(jié)構(gòu)活套可以縮短設(shè)備的建設(shè)周期，總體造價也是比較經(jīng)濟的。中鋁瑞閩股份有限公司、天津忠旺鋁業(yè)有限公司和寶武鋁業(yè)科技有限公司都是采用的這種方式。

3.2.3 檢修維護布置

因為機組長度較長,一般采用雙層布置方案，氣墊爐段布置在二層平臺之上。氣墊爐的風(fēng)機如果布置形式是在爐頂、爐底上下布置，風(fēng)機的爐底風(fēng)機檢修將在二層平臺之下。爐子平臺之下往往布置有出口切邊和碎斷設(shè)備、張力輥及電機、活套小車。爐子平臺之下的設(shè)備維護布置有兩個方案可選。第一種方案是小車插入式(圖3)，即在鋼平臺下布置一臺雙梁天車，這臺天車共配備兩臺小車，分別為設(shè)備檢修小車和風(fēng)機檢修小車，兩臺小車共用小車行走軌道。正常工作時只有一臺小車在天車的大梁上，另外一臺小車在鋼平臺附近的?？课唬枰鼡Q小車時，一臺小車沿軌道開出，側(cè)移，另外一臺小車沿軌道開進大車。這種方式的優(yōu)點是設(shè)備檢修小車的起重量可以按照與風(fēng)機檢修小車選擇一樣，方便平臺之下設(shè)備的維護。

1-設(shè)備檢修小車；2-風(fēng)機檢修小車

第二種方案是鋼平臺下的天車可設(shè)計為兩條大梁上行走風(fēng)機檢修小車，另外多一條大梁上面可設(shè)置懸掛葫蘆使其沿大梁長度方向行走，可實現(xiàn)平臺之下設(shè)備維護(圖4)。

1-風(fēng)機檢修小車；2-懸掛葫蘆

這種方案操作方便，缺點是葫蘆和風(fēng)機檢修小車起重量之和不能超過天車的起重量。

4 剪切

汽車用鋁合金供貨有帶材供貨也有板材供貨的。其剪切一般是剪切成矩形，也有要求是特殊形狀的比如梯形、菱形、平行四邊形等異形板，鋁加工企業(yè)可以配置飛擺剪橫切線來實現(xiàn)異形板材的剪切。生產(chǎn)線包括上料、引料、清洗、校平、送料、擺剪、堆垛等工序生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。根據(jù)汽車廠家的不同要求，有的廠家需要產(chǎn)品切割成其他特殊形狀，這類產(chǎn)品可以用激光切割機切割成型。

5 結(jié)束語

為促進解決能源和環(huán)保危機，全球各國陸續(xù)出臺了汽車輕量化的宏觀調(diào)控政策，引導(dǎo)汽車生產(chǎn)和鋁加工企業(yè)接受和發(fā)展汽車輕量化產(chǎn)業(yè)，各國政府公布了未來幾年汽車燃油消耗限值。目前我國頒布的《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》中規(guī)定,2025年汽車二氧化碳排放量為95g/km，即每百公里油耗不大于5L，我國汽車距這一目標還有一定差距，因此汽車輕量化工作還有很大提升空間。我國汽車用鋁合金板帶材的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)裝備也必將迎接更大的挑戰(zhàn)和發(fā)展。