影響6061鋁合金汽車減震支架型材擴口開裂性能的主要因素研究

劉小龍，朱世安，羅貴清

（廣東豪美新材股份有限公司，清遠511540）

0 前言

20 世紀70 年代的石油危機推動了國外汽車輕量化技術的發展。經過40 多年的發展，開發了從車身結構優化、新材料的開發、先進制造工藝到材料回收再利用等各類新技術。汽車輕量化是在保證汽車強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整裝質量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。研究表明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽車重量每減少100 kg，百公里油耗可降低0.3～0.6 L；汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%[1]。當前，由于人們對節能環保、低碳生活的需求，汽車的輕量化已經成為世界汽車發展的潮流。作為汽車重要安全部件之一的汽車減震支架也逐漸使用擠壓鋁型材來代替。汽車減震支架較重要的兩項物理性能是常規力學拉伸性能和擴口開裂性能（下文簡稱開裂性能），因此在生產擠壓鋁合金汽車減震支架時必須想辦法提高這兩項物理性能。其中，常規力學拉伸性能主要影響因素是合金成分、擠壓工藝和時效工藝。而影響汽車減震支架的開裂性能的影響因素較為復雜，除了合金成分、擠壓工藝外，擠壓設備、鋁棒質量、模具設計等因素都會影響開裂性能。在生產實踐中，擠壓設備、擠壓工藝及模具設計對該型材開裂性能的影響較大，作為本文重點展開分析。

1 汽車減震支架開裂不合格原因分析

汽車減震支架一般由圓筒與固定面組成，檢測及使用過程中容易受力開裂部位為圓筒部分，故本文重點研究圓筒部位的擴口開裂性能。

某客戶汽車減震支架的擴口開裂性能以圓筒部位擴口脹破力大小和脹破開裂面的斷口位置及形狀來判定其開裂性能是否合格，判斷標準見表1。

表1 某客戶汽車減震支架開裂性能合格判定標準

當圓筒部位擴口脹破力小于45 kN或者脹破開裂面在焊縫上并且斷口呈現光滑平直狀時判定結果為開裂性能不合格，見圖1。從常見的分流模擠壓成形原理分析，圓筒部位受力開裂風險最大的即為圓筒焊合部位（見圖2）。因此，汽車減震支架圓筒部分的焊合不良是本文對汽車減震支架開裂性能研究分析的重點。分流模擠壓成形的汽車減震支架產生焊合不良導致開裂性能不合格的根源主要是由于焊合壓力不夠、焊合時間太短、雜質、異物及氣泡等原因造成分流橋下兩金屬接面無法達到緊密連續狀[2]。下面結合造成焊合不良的根源來逐一分析擠壓設備、工藝及模具設計對汽車減震支架開裂性能的影響。

圖1 汽車減震支架開裂斷口形狀

圖2 汽車減震支架焊合部位

2 開裂性能影響因素分析

2.1 擠壓設備的影響

擠壓設備對汽車減震支架開裂性能的影響主要體現在擠壓機噸位的大小、擠壓筒和擠壓軸尺寸參數及其完好性。擠壓機的噸位大小和擠壓筒內徑尺寸直接影響擠壓機的最大壓力、最大比壓[3]。在設備配置上，如果擠壓機噸位選擇太小，壓力過低，則焊合力較低，導致焊合不良；擠壓筒尺寸過大、擠壓軸尺寸過小、磨損或者擠壓筒變形如鼓形時，擠壓筒內壁容易殘留鋁棒表層氧化皮，在擠壓過程中，當金屬流動不均勻時這些表層氧化皮流入模腔參與擠壓。這些摻雜有表層氧化皮的金屬流入焊合室會使焊合擠出的汽車減震支架開裂性能較差。

2.2 擠壓工藝的影響

2.2.1 鑄棒質量

當擠壓鋁棒表面質量較差（如存在冷隔、油污）時將會影響擠壓成型的焊合性能；當鋁棒內部質量較差，如Mg、Si 總量過高以及Fe 含量過高將加劇焊合不良或因精煉過程中除雜除氣不完善，鑄棒存在較嚴重的疏松、縮孔，鑄造過程中產生的較厚偏析層等都會影響焊縫質量，最終影響擠出產品的開裂性能。

2.2.2 鋁棒擠壓溫度

鋁棒擠壓溫度過高、過低都不利于提升汽車減震支架開裂性能。鋁棒溫度過低，不利于焊合；鋁棒的溫度高雖有利于金屬的擴散結合，但會使金屬粘結模具現象加劇，從而導致擠出型材拉裂；同時，棒溫高，金屬的組織晶粒生長和成長速度加快，造成焊縫組織粗大，影響焊合性能。另外，擠壓溫度過高，擠壓力將降低，最終又導致焊合力降低。

為了驗證不同擠壓棒溫對汽車減震支架開裂性能的影響，在擠壓筒直徑為320 mm 的3 600 t 擠壓機上采用相同的鋁棒、相同的模具及相同擠壓工藝但不同的棒溫擠壓生產汽車減震支架。每種棒溫擠壓5支產品，每支產品的前段6 m、尾段3 m和中段各取3個擴口樣做擴口開裂性能測試，其結果見表2。

表2 鋁棒擠壓溫度對汽車減震支架開裂性能的影響

由表2 可知，鋁棒擠壓溫度在480～525 ℃范圍擠出的汽車減震支架平均脹破力較大，焊合性能較好、開裂合格率較高?？梢?，鋁棒溫度不均勻也會影響到汽車減震支架開裂性能，特別是火焰加熱式的單棒爐，其熱傳遞方式是從表層加熱到芯部，加溫時間短，特別容易導致鋁棒不同部位的溫差大以及鋁棒表層與鋁棒芯部溫差大。這種溫度不均勻的鋁棒在擠壓時金屬流動不均勻，會加快鋁棒表層氧化皮流入模腔參與擠壓，從而影響到焊縫質量。同時，不同溫度的金屬流焊合在一起也會影響焊縫質量，影響開裂性能。

2.2.3 模具上機溫度

模具上機溫度一般在450～500 ℃之間，6061合金鋁棒擠壓溫度一般在460～540 ℃之間。在擠壓過程中金屬經過分流孔分成幾股金屬流重新聚集在焊合室焊合，并在模腔內流動焊合時，由于熱傳導規律，若模具上機溫度過低，低溫模具將吸收大量金屬溫度，導致金屬在焊合時溫度低，使擠出產品的焊合質量差，其開裂性能難以符合標準要求。

2.2.4 擠壓筒溫度

擠壓筒溫度低對汽車減震支架開裂性能的影響同模具上機溫度低影響原理一樣，金屬的導熱性較好，當擠壓筒溫度低時，送入壓筒后鋁棒溫度通過熱傳遞傳遞給了擠壓筒，致使實際參與擠壓的鋁棒溫度降低，從而影響開裂性能。

2.2.5 擠壓速度的快慢以及速度的穩定性

擠壓速度越慢則金屬在焊合腔內的時間越長，越有利于基體金屬填充到破碎的氧化皮顆粒之間的空間以及粗糙接觸面之間的縫隙，越有利于焊合；但是速度過慢，型材離開模具工作帶到進入淬火通道所需的時間也越長，型材內部組織越容易產生粗大晶粒（如圖3 所示），時效后弱化了沉淀強化作用，從而使力學性能達不到要求。同時，速度過慢，模具、鋁棒容易降溫不利于焊合。而擠壓速度過快，金屬變形功增大，鋁棒表層氧化皮容易流入模腔參與擠壓，影響焊縫質量；另外，擠壓速度過快，金屬在焊合腔中停留的時間越短，焊合的質量也就越差。因此，適當降低擠壓速度能提高焊合質量，提升開裂性能。

圖3 6061合金不同擠壓速度的高倍組織

為了驗證不同擠壓速度對汽車減震支架開裂性能的影響，在擠壓筒直徑為320 mm 的3 600 t 擠壓機上采用相同鋁棒、相同模具、相同擠壓工藝但不同的擠壓速度生產汽車減震支架（米重6.0 kg/m）。每種速度擠壓5支產品，每支產品的前段6 m、尾段3 m和中段各取3個擴口樣做擴口開裂性能測試，測試結果見圖4。

圖4 擠壓速度對汽車減震支架開裂性能合格率的影響

通過圖4 試驗結果分析可知，當擠壓速度在5.5～7.0 m/min范圍內時擠出的產品開裂性能合格率較高。

2.2.6 壓余厚度

壓余一般根據擠壓筒大小、產品米重大小和產品質量要求來決定，壓筒、產品米重越大以及產品質量要求越高，壓余一般留取越厚。若采用直徑為325 mm 的擠壓筒擠壓汽車減震支架，壓余一般留取40 mm以上。如果壓余太薄，鋁棒表層氧化皮容易進入模腔參與擠壓；若太厚，在接棒剪壓余時，容易將模具分流孔內金屬帶出，易產生氣泡，甚至會出現接不上棒的現象。

2.2.7 工藝廢料長度

擠壓鋸切過程中，工藝廢料必須留取足夠長。若工藝廢料不夠長，端頭容易出現成層、縮尾以及焊合不良等現象。對于這種分流模擠出的汽車減震支架，特別是在其頭端更容易出現縮尾及焊合不良等缺陷，嚴重影響開裂性能。

2.2.8 三心對中

擠壓軸、擠壓筒、模具的中心位于同一中心線上才能保證擠壓過程中金屬流動均勻，即三心對中。擠壓軸、擠壓筒以及模具任何一處出現偏心現象都會改變擠壓筒內正常的金屬流動規律，使鋁棒表層氧化皮提前流入模腔參與擠壓成形，嚴重影響焊合質量。

2.3 模具設計的影響

采用分流模進行擠壓成形時，金屬先經過分流孔分成幾股金屬流，然后再重新聚集在焊合室。由于分流橋的存在，橋底不可避免地形成金屬流動的剛性區，使得該處金屬原子的擴散結合速度較慢，導致金屬的組織致密度降低形成焊縫[4]。所以用分流模擠出的汽車減震支架將不可避免地產生焊縫。要提高汽車減震支架的開裂性能必須提高其焊縫的質量，使焊合室焊縫處金屬能充分擴散結合，否則，擠出型材的焊縫將出現組織疏松、顆粒粗大并與其它部位的組織不一致的情況，嚴重影響汽車減震支架的開裂性能。下面從模具方面分析模具設計對汽車減震支架開裂性能的影響。

2.3.1 分流孔設計的影響

分流孔是擠壓鋁棒通往型孔的通道，其形狀、數目、斷面尺寸以及不同的排列方式都直接影響到汽車減震器成形質量、擠壓力和模具的使用壽命[5]。在一般情況下分流孔的數目要盡量少，以減少焊合線，增大分流孔面積可降低擠壓力。分流孔的斷面尺寸主要根據汽車減震器的外形尺寸、斷面積以及所要求的分流比和模具的強度因素來確定。分流孔在模子平面上的合理布置，對于平衡金屬流速、降低擠壓力、促進金屬的流動與焊合、提高汽車減震支架開裂性能和模具使用壽命等都有一定的積極影響。對于汽車減震器這種對稱性較好的空心制品來說，各分流孔的中心圓直徑應大致等于0.7D筒[6]。此時金屬流動較為均勻，并且擠壓力較小，模具強度較高。此外，分流孔的布置應盡量與汽車減震器保持幾何相似性。為了保證模具強度和產品質量，分流孔的布置不能太靠近擠壓筒或模具的邊緣。但是為了保證金屬的合理流動及模具的壽命，分流孔布置也不宜太靠近擠壓筒中心。

2.3.2 分流橋設計的影響

分流橋的寬窄與模具強度和金屬的流量有關，其高度也直接影響到模具的壽命、擠壓力與焊合質量[7]。在保證模具強度及供料充足的情況下，盡量把分流橋設計成窄面。

圖5 模橋斷面形狀

模橋斷面形狀主要有矩形、水滴形和矩形倒三角形3種[8]，見圖5。模橋斷面為矩形時分離殘料容易，抗剪強度高，但殘料較多；模橋斷面為矩形倒三角形時橋高可降低，減少殘料，但焊合室中殘余金屬較多，會影響產品質量；模橋斷面為水滴形時易分離殘料，產品質量好，模橋強度高，應用最廣泛。

2.3.3 焊合室設計的影響

焊合室是金屬聚集并焊合的地方，保證在模橋下聚集有足夠的金屬，在焊合室中形成一個超過被擠壓金屬屈服強度10～20 倍的靜水壓力[9]，以便金屬能夠在高溫高壓下重新焊合。汽車減震器模具設計焊合室的容積越大，焊合室的截面積與制品的截面之比越大，則焊合室所建立起來的靜水壓力也就越大；焊合室越深，金屬在焊合腔中停留的時間也越長，因而金屬的組織致密度越高，焊合的質量也就越高，開裂性能越好。

要合理設計焊合室必須在保證模芯剛性、強度的前提下加大焊合室的容積。加大焊合室容積的方式主要有兩種，一種是加大焊合室的斷面積，另外一種是增加焊合室的高度。其中增加焊合室的高度可以通過加高橋孔高度和加深模腔凹下深度的方式來實現。由于橋孔高度越大，模橋的強度越低，為了加大焊合室的高度同時又要保證模橋的強度，可適當增加模腔凹下深度。如果把橋孔高度設計成負值或0，將焊合室移到模子里面，就成為半埋入式或埋入式舌型模。

汽車減震器焊合室的容積設計越大，則在擠壓生產時模具中的殘料越多。分離殘料后，積存在模具中的金屬過多，會降低成品率，影響制品質量。同時，焊合室高度過大，會影響模芯的穩定性，易出現空心制品壁厚不均勻現象，所以焊合室的容積并不是越大越好。焊合室高度與擠壓筒直徑有關，一般取10～40 mm，擠壓機噸位大取上限，噸位小取下限，具體參數設計參照表3[10]。

表3 不同擠壓筒直徑對應的模具焊合室高度的設計參照表

為了消除焊合室邊緣與?？灼矫娼雍咸幍乃绤^，提高焊縫質量，焊合室形狀一般采用碟形，可采用大圓角（R＝5 ～20㎜），或將焊合室的入口處做成15°左右的角度。同時，將與蝶形焊合室對應的分流橋根部也做成相應的凸臺，這樣既能增加模具強度又能改善金屬的流動性，從而減少擠壓阻力。

3 提高減震支架開裂性能的措施

結合擠壓設備、工藝及模具設計對汽車減震支架開裂性能的影響，提高6061 合金汽車減震支架開裂性能可以從以下幾方面著手：

（1）擠壓機噸位選擇3 000 t 以上的機臺擠壓，保證比壓大于80。

（2）合理控制擠壓軸與擠壓筒尺寸關系，保證擠壓筒直徑比擠壓軸尺寸大3～12 mm。

（3）擠壓軸和擠壓筒磨損嚴重時及時更換。

（4）選用含氣、含雜量較少的、偏析層＜3 mm的均質鋁棒進行擠壓，最好選擇鋁棒剝皮擠壓，能顯著提升擠壓成品率；同時控制好成分，特別是Fe含量不能過高。

（5）控制好鋁棒、模具、擠壓筒的溫度。鋁棒溫度建議控制在480～525 ℃之間，模具溫度控制在450～500 ℃之間，擠壓筒溫度控制在420～460 ℃之間。

（6）控制好擠壓過程中鋁棒溫度以及擠壓速度的均勻性。擠壓速度保持平緩變化，不能時快時慢，鋁棒不同部位溫度差控制在20 ℃以內。建議使用高頻電流感應爐加熱鋁棒。

（7）合理設計模具。建議采用碟形焊合室，分流孔中心圓直徑應控制在擠壓筒直徑的0.7 倍以內，合理設計焊合室高度。

4 結論

（1）提高6061合金汽車減震支架擴口開裂性能，可以先選擇匹配的擠壓設備及合理的生產工藝，同時需要適當優化模具結構。

（2）在實際生產過程中，并不是鋁棒溫度越高擠出的產品擴口開裂性能合格率越高，鋁棒溫度超過一定值時，隨著溫度的提升，擴口開裂性能合格率反而下降。

（3）在6061 合金汽車減震支架生產過程中，要結合擠壓效率和擴口開裂性能合格率選擇合理的擠壓速度，擠壓速度在5.5～7.0 m/min范圍時擠壓產品的開裂性能合格率較高。

（4）在選擇優化模具設計來改善汽車減震支架擴口開裂性能時，必須要兼顧優化過程中對模具壽命及擠出產品的尺寸穩定性帶來的影響。