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(yáng) 471039 )

隨著中國(guó)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(guó)汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的突出問(wèn)題，低油耗、低排放的汽車成為節(jié)約型社會(huì)發(fā)展的需要，汽車輕量化可以在降低能耗排放的同時(shí)滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的汽車消費(fèi)需求。有研究表明，當(dāng)整車重量減輕10%時(shí)，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(dá)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(biāo)準(zhǔn)板(S)、高烘烤硬化板(IBR)、高翻邊板(IH)、高強(qiáng)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(jí)要求為1級(jí)或2級(jí)，漆刷線等級(jí)為1級(jí)或2級(jí)。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(shí)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(guò)加熱/均勻化后，熱軋至2.5mm～6.0mm厚的熱軋卷，進(jìn)入冷軋機(jī)進(jìn)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(jī)在軋制最后一道次時(shí)換上特制的光軋輥，并施加較小的的軋制力進(jìn)行軋制，對(duì)帶材通常是<4%的加工率。這種軋制技術(shù)對(duì)軋制速度、潤(rùn)滑條件、軋制力及其穩(wěn)定性有非常嚴(yán)格的要求。普通冷軋機(jī)通常是大壓下量、大軋制力生產(chǎn)，因此對(duì)于既生產(chǎn)汽車板又生產(chǎn)其它產(chǎn)品的軋機(jī)來(lái)說(shuō)最小和最大軋機(jī)力能的相差很大，如何保證穩(wěn)定生產(chǎn)是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。國(guó)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(jī)都有EDT軋制模式。也有使用專用EDT軋機(jī)的，比如山東南山鋁業(yè)股份有限公司。EDT軋制的目的是對(duì)帶材進(jìn)行表面毛化，使其表面沒(méi)有明顯的軋制方向，可減少汽車生產(chǎn)廠家在疊層沖壓時(shí)的潤(rùn)滑難度。經(jīng)過(guò)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(diǎn)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(shí)間、溫度控制精度都是重要的工藝參數(shù)，其中冷卻速率對(duì)時(shí)效態(tài)的性能產(chǎn)生重要影響。因?yàn)楣に噺?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(guó)外的設(shè)備，只有很少是國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)制造的。近年來(lái)(2014年至今)國(guó)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(jiàn)表2。國(guó)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(jiàn)表3，這類生產(chǎn)線一般可以生產(chǎn)汽車板同時(shí)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(guó)外企業(yè)鋁帶材氣墊式帶材連續(xù)熱處理線

表3 國(guó)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(jìn)入入口段，在入口段主要完成上卷、開(kāi)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(kāi)卷機(jī)、矯直機(jī)、剪切機(jī)、帶材縫合機(jī)、切頭剪、月牙剪、切邊剪和碎邊剪。然后進(jìn)入入口活套，入口活套的作用是保證在入口換卷時(shí)可以提供這一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)運(yùn)行的帶材。

隨后進(jìn)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(shí)間為3s～5s。通過(guò)風(fēng)機(jī)將此段的堿霧抽吸至洗滌塔中和，達(dá)標(biāo)后排放。

經(jīng)過(guò)預(yù)清洗后的帶材會(huì)進(jìn)入氣墊爐段。固溶/退火工藝根據(jù)合金來(lái)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(shí)間可隨固溶溫度的升高適當(dāng)縮短[3]。

對(duì)于熱處理不可強(qiáng)化的5xxx合金進(jìn)行退火處理。有研究表明5182冷軋板材在爐內(nèi)溫度達(dá)到325℃，保溫30min時(shí)，板材已經(jīng)發(fā)生完全再結(jié)晶，應(yīng)變硬化指數(shù)達(dá)到0.4[4]。帶材保溫后進(jìn)入冷卻段冷卻。一般熱處理可強(qiáng)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(jìn)入拉矯段，一般采用拉伸彎曲矯直工藝。(對(duì)于較薄的帶材需采用純拉伸模式)。然后進(jìn)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(jìn)行預(yù)時(shí)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(shí)，烤漆初期合金板材中自然時(shí)效形成的GP區(qū)將不可避免發(fā)生部分溶解，由于烤漆時(shí)間較短(不超過(guò)30min)導(dǎo)致未溶的GP區(qū)來(lái)不及長(zhǎng)大，使合金板材的強(qiáng)度降低，出現(xiàn)烤漆軟化現(xiàn)象。一些研究指出預(yù)時(shí)效對(duì)于加快低溫短時(shí)間時(shí)效硬化速度是一種有效的手段，因?yàn)轭A(yù)時(shí)效可能會(huì)通過(guò)改變合金顯微組織中原子集團(tuán)的尺寸或狀態(tài)影響隨后的時(shí)效析出過(guò)程。合金固溶淬火后，如果立即進(jìn)行預(yù)時(shí)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(guò)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(jī)體中溶質(zhì)原子的過(guò)飽和度，抑制了隨后自然時(shí)效時(shí)的硬化效果。同時(shí)預(yù)時(shí)效過(guò)程形成的大量的β″核心，在隨后的模擬烤漆時(shí)，將促進(jìn)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(jìn)入出口活套，出口活套是為了保證在卸卷時(shí)出口段能夠連續(xù)運(yùn)行。最后進(jìn)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(yùn)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?yàn)榇祟惿a(chǎn)線很長(zhǎng)，如果生產(chǎn)環(huán)境不進(jìn)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(kāi)。集成線的特點(diǎn)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(wú)需化學(xué)處理的產(chǎn)品需要通過(guò)化學(xué)處理段，此時(shí)化學(xué)處理段噴桿梁、導(dǎo)輥等經(jīng)過(guò)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)，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(kāi)卷機(jī)、卷取機(jī)的布置

對(duì)于氣墊式帶材連續(xù)熱處理線來(lái)說(shuō)入口段要進(jìn)行上套筒、縫合、切邊工序，輔助時(shí)間較長(zhǎng)，一般采用雙開(kāi)卷的布置方式，1號(hào)開(kāi)卷機(jī)采用上開(kāi)卷下偏導(dǎo)輥的布置方式，2號(hào)開(kāi)卷機(jī)采用上開(kāi)卷上偏導(dǎo)輥，如圖2所示。比較2號(hào)開(kāi)卷機(jī)上開(kāi)卷下偏導(dǎo)輥的布置方式，這種布置方式可以減少2號(hào)開(kāi)卷機(jī)的基礎(chǔ)深度。

1-1號(hào)開(kāi)卷機(jī)；2-2號(hào)開(kāi)卷機(jī)

出口段只是完成切尾和助卷、卸卷，輔助時(shí)間較短，采用一臺(tái)卷取機(jī)即可滿足要求。但也有采用兩臺(tái)卷取機(jī)的設(shè)計(jì)，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(jì)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?yàn)樗交钐卓梢越档驮O(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(jià)也是比較經(jīng)濟(jì)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(hù)布置

因?yàn)闄C(jī)組長(zhǎng)度較長(zhǎng),一般采用雙層布置方案，氣墊爐段布置在二層平臺(tái)之上。氣墊爐的風(fēng)機(jī)如果布置形式是在爐頂、爐底上下布置，風(fēng)機(jī)的爐底風(fēng)機(jī)檢修將在二層平臺(tái)之下。爐子平臺(tái)之下往往布置有出口切邊和碎斷設(shè)備、張力輥及電機(jī)、活套小車。爐子平臺(tái)之下的設(shè)備維護(hù)布置有兩個(gè)方案可選。第一種方案是小車插入式(圖3)，即在鋼平臺(tái)下布置一臺(tái)雙梁天車，這臺(tái)天車共配備兩臺(tái)小車，分別為設(shè)備檢修小車和風(fēng)機(jī)檢修小車，兩臺(tái)小車共用小車行走軌道。正常工作時(shí)只有一臺(tái)小車在天車的大梁上，另外一臺(tái)小車在鋼平臺(tái)附近的停靠位，需要更換小車時(shí)，一臺(tái)小車沿軌道開(kāi)出，側(cè)移，另外一臺(tái)小車沿軌道開(kāi)進(jìn)大車。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備檢修小車的起重量可以按照與風(fēng)機(jī)檢修小車選擇一樣，方便平臺(tái)之下設(shè)備的維護(hù)。

1-設(shè)備檢修小車；2-風(fēng)機(jī)檢修小車

第二種方案是鋼平臺(tái)下的天車可設(shè)計(jì)為兩條大梁上行走風(fēng)機(jī)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(zhǎng)度方向行走，可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)之下設(shè)備維護(hù)(圖4)。

1-風(fēng)機(jī)檢修小車；2-懸掛葫蘆

這種方案操作方便，缺點(diǎn)是葫蘆和風(fēng)機(jī)檢修小車起重量之和不能超過(guò)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(lái)實(shí)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(jī)切割成型。

5 結(jié)束語(yǔ)

為促進(jìn)解決能源和環(huán)保危機(jī)，全球各國(guó)陸續(xù)出臺(tái)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(guó)政府公布了未來(lái)幾年汽車燃油消耗限值。目前我國(guó)頒布的《乘用車燃料消耗量評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)》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(guó)汽車距這一目標(biāo)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(guó)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。