同一批 6061 铸棒、同一副模,在同一台 2000 吨铝合金挤压机上先后挤出来的两根 14.5 米幕墙立柱,175℃ 时效 8 小时之后,一根抗拉 286MPa、韦氏硬度 16.2HW,另一根抗拉 238MPa、硬度 11.5HW。金相上看,回软那根在尾部 1.1 米范围内的晶界上有明显的析出物,头中尾三段反而不明显。
把两根料的工艺记录摊开对了一遍:棒温、模温、挤压速度都在同一个窗口里,差别的源头不在挤压,在型材尾部离开水幕之前的 6 秒。
超长定尺的淬火问题基本都长在这个样子。6 米料一支在冷却区里待 30 多秒,局部淬不透还能靠加大冷却强度补回来;14.5 米料一支要 2 分 14 秒才走完,线速度一变,单位长度在每一区里的停留时间跟着变,靠强度补不住。所以这件事得按装模、预热、首件、稳态、换模这条时间线拆开看,每个节点盯的参数是不一样的。
装模这一步,多数厂子只确认模孔对中和模支承压紧,淬火段是等首件出来才去看的。在这台铝合金挤压机上做超长定尺不能这么走,因为装模时定下来的四个尺寸,后面整批料全程都在起作用。
第一个是淬火罩入口到模口的距离。这台机设计值 1.4 米,因为前梁换过一套加长导路,实测成了 1.62 米。多出来的 220 毫米,在 108mm/s 的线速度下是 2 秒,这 2 秒里 3 毫米薄壁的表面温度从 528℃ 掉到 505℃,正好踩在 6061 固溶温度的下沿上。薄壁本来降温就快,这一段的量必须记进工艺卡,不能按图纸上的 1.4 米算。
第二个是三区水幕的覆盖长度。三区各 2 米,共 6 米,实测第三区末端有一段 340 毫米的衰减区,水压从 0.35MPa 掉到 0.21MPa,这一段实际上是"半水半汽",冷却强度只有前面的四成。
第三个是喷嘴到型材的距离,120 毫米,三区共 96 个喷嘴。这个距离装的时候量一次就够了,但换不同截面时要重调:立柱这类带开口的截面,内腔朝下时水会积在腔里,得把喷嘴整体抬高 30 毫米,让水幕从侧面切进去。
第四个是托辊标高。这条线出料台 22 米、托辊 43 根,标高偏差控制在正负 0.5 毫米以内。超长定尺在台面上的摆幅比 6 米料大得多,标高一旦超差,型材在水幕里是斜着走的,薄壁面朝上时上表面积水、朝下时水幕打在厚壁一侧,等于同一支料左右两面的冷却强度不一样。
预热阶段要盯的是两个容易被记成单值的东西。
铸棒是梯度加热的,头端 500℃、尾端 468℃,差 32℃。这个梯度本来是为了抵消挤压升温,但对 6061 来说要小心:尾段本身的挤压温升就高,梯度再往上叠,尾段出模口能到 552℃,超过固溶上限 530℃ 就会出现局部过烧。这台机的做法是把梯度压到 22℃ 以内,同时尾段 8 米做降速,两个手段合起来把出模口温度压在 540℃ 以下。
模具预热记三个点:模面 462℃、模垫 448℃、模支承 435℃。模面温度决定头两支的出模口温度,头一支实测只有 512℃,第三支起才进 528℃ 的稳定区。
水温这件事最容易漏。这台机原来用的是开式水箱,冬季进水温度 12℃。12℃ 的水直接打在 3 毫米薄壁上,局部冷却速度能到 210℃/s,薄厚交界 0.8 米范围内的温差 130℃,时效后扭拧 1.8mm/300mm。加一台板式换热器把水温稳在 41℃ 之后,同样的料扭拧降到 0.9mm/300mm。
顺便说清楚这台铝合金挤压机"能不能只开风"这件事的判断依据:6061 的淬火敏感区间是 400℃ 到 290℃,在这段里走得太慢,Mg2Si 先沿晶界析出,后面时效时可供析出的强化相就少了,抗拉和硬度一起掉。6061 在这段的临界冷却速度是 18℃/s;6082 因为含锰更高,临界值约 30℃/s;6063 只有 4℃/s。强风冷能给到 10 到 20℃/s,所以 6063 风冷就够,6061 站不住,6082 更要上水。
红外测温点装在距模口 300 毫米的位置。装这么近是有原因的:超过 300 毫米之后,3 毫米薄壁已经开始掉温,测出来的是"已经掉过一截的温度",不是真实的出模温度,拿它去判固溶会误判。
首件要记三个数:头段 512℃、中段 521℃、尾段 544℃。6061 的固溶下限按 500℃ 取,头段 512℃ 是贴着线走的,所以首件判定不能只看温度表,还得看淬火之后的表面温度——在型材到锯口之前测,头段要求低于 100℃,实测 118℃,说明头段 512℃ 这个数确实不够。
处理办法不是提棒温,是让模具继续吸热。这台机从第 4 支起模具进入热平衡,出模口稳定在 528℃,头段淬后表面温度降到 86℃。所以首件的判定一定要写清"从第几支起",只凭头一支定生死,会把本来合格的批次判废。
这一段铝合金挤压机屏上能看的数有两个,容易看混:一个是挤压杆速度,2.25mm/s;一个是型材出模的线速度,108mm/s,也就是 6.5m/min。两者差的是挤压比 λ 的倍数(这台机筒径 160 毫米、立柱截面积 420 平方毫米,λ 约 47.9)。
超长定尺最怕的是这两个速度不同步。牵引机速度偏差超过正负 1.5%,型材在淬火区里的停留时间就变了:牵引慢 2.1% 时,型材在罩内被轻微拉伸,实际线速度变成 106mm/s,停留时间多 1.1 秒,厚壁处淬后温度从 145℃ 掉到 118℃,硬度反而更好;牵引快 1.8% 时型材堆料,薄壁一侧贴到托辊上,水幕打不到背面,那一面淬后 186℃,同一支料正反面差 68℃。
尾段用的是等速挤压,挤压杆速度从 2.25mm/s 线性降到 1.85mm/s,覆盖最后 8 米,目的就是把出模口温度钉在 540℃ 以内。
厚薄壁的冷却差是超长定尺特有的:厚壁 12 毫米处冷却速度 45℃/s,薄壁 3 毫米处 185℃/s,差 4 倍。6 米料截面小,壁厚差带不出来,一般只有 2 倍以内;14.5 米料为了吊装刚性必须把截面做大,壁厚差就跟着一起放大了。
这台机的改法是在第三区前面加两台风刀,把纯水幕改成风雾混合,雾量控制在 12%。改完之后薄壁处降到 110℃/s,厚壁处保持 42℃/s,交界处温差从 90℃ 收到 35℃,扭拧从 1.2mm/300mm 降到 0.45mm/300mm,满足图纸 0.5mm/300mm 的要求。
无锡市大舟机械有限公司的人来的时候没带方案,先要了三个班的出模口温度曲线、淬火后表面温度记录和两批时效后的抗拉报告,蹲了一个白班,把 2 分 14 秒的淬火行程按三区拆开,逐个问这一段是必需的还是可以不做的。
最后给的方案只有两条:第三区改风雾混合,程序里加一条"尾部 0.8 米延时关水"。程序是直接写进原机 PLC 的步进逻辑里,操作工还是在原来的屏上改延时值和雾量,不另加一套系统。改造费用报在新机价格的两成以内。
有一条是明确说不用做的:把整个淬火罩换成分区可控的多段式。按年产 1400 吨、每周换模 3 次、每次因为尾段缓冷废 1.2 支算,多出来的合格型材一年不到 6 吨,装那套设备的钱四年都收不回来,报价单就没出。
这台铝合金挤压机上每一批超长定尺的最后一支,盯的都是同一个动作:水要晚于挤压停,早于牵引停。顺序反了,尾段就会留一段缓冷。
具体走法是:型材尾部进入第三区之后,先关第一、二区,尾部完全出水幕再全关水,然后才停牵引。如果在尾部还有 0.65 米在水幕里的时候就提前关水——按 108mm/s 算,这就是 6 秒——这 0.65 米就走了空冷,再加上水幕出口到锯口的 3.2 米,一支 14.5 米定尺的报废长度是 1.1 米,因为力学性能要整支均匀,只能整支判废。前面提到的那根 238MPa 的立柱,就是这么来的。
全关之后,冬季要把管路排空 3 分钟,防止冻裂和内壁结垢;夏季不用排,但要把罩底的积水放掉,不然下一副模上机时,滴在 3 毫米薄壁上的水珠会打出一片白斑,抛光都抛不掉。
下一副模吊上模架之前,先拿 0.5 毫米通针把 96 个喷嘴逐个捅一遍,堵 3 个以上就整区换喷嘴。这一步不在原来的作业指导书里,是上一批废了 2 根立柱之后补进去的。