复杂大截面铝型材挤压过程中焊合行为与质量控制方法研究

The complex, large cross-section aluminum profiles are usually extruded by means of porthole dies having lots of portholes, resulting in the formation of large amount of longitudinal welding seams along the direction of extrusion. The welding quality directly influences the mechanical properties and surface quality of the extruded profiles. The current welding criterions are difficult applied for the quantitative prediction of welding seams quality, since they are lack of practicality and experimental verification. Hence, the present proposal will study the modeling of welding criterion and control methods of seam welds for complex, large cross-section industrial aluminum profiles. The solid bonding behavior of aluminum alloy under different extrusion conditions will be studied by the designed experiment, and the welding quality will be characterized by the combination of macroscopic mechanical property testing and microscopic structure observation. The quantitative relation between extrusion condition and welding quality will be constructed and an accurate welding criterion will be modeled. By means of the welding criterion proposed in this study, the influence of crucial die structure and process parameters on welding quality for complex, large cross-section profile will be investigated. Moreover, the design route of porthole dies, butterfly dies and process optimization method for such kind of profiles will be proposed. This study combines the theory and experiment, and aims to improve the overall quality and process stability for complex, large cross-section aluminum profile, and thus has important theoretical significance and engineering application value.

复杂大截面工业铝型材多采用设有超多分流孔结构的分流模进行挤压生产，从而在挤出型材上产生大量的纵向焊缝（焊合线）。焊合质量的高低，直接影响型材的整体力学性能及表面质量。目前常用的焊合评估准则，因缺乏实用性及相关实验验证，难以定量预测型材焊缝质量。为此，本项目拟围绕复杂大截面铝型材挤压过程，系统研究焊合准则模型的建立及焊合质量控制方法。实验研究不同挤压条件下材料的固态焊合行为，利用宏观力学性能测试及微观组织观察对焊合质量做综合表征，明确挤压条件与焊合质量之间的定量关系，建立准确实用的焊合准则模型；研究复杂大截面铝型材挤压焊合过程，并以本项目提出的焊合准则为评价标准，揭示关键挤压模具结构及工艺参数对焊合质量的影响规律，提出平面分流模、蝶形模具及挤压工艺优化设计方法。项目将理论研究与工艺实验相结合，旨在提高复杂大截面铝型材整体质量与挤压加工的稳定性，具有重要的理论研究意义和工程应用价值。

铝合金型材分流模挤压成形过程中，不可避免的在整个型材上形成若干条纵向焊缝。焊缝通常为型材最薄弱部位，焊合质量的高低直接影响型材的整体力学性能。本项目围绕铝合金型材焊合行为及其质量控制所涉及的关键科学问题，采用理论分析、实验和数值模拟等方法，开展了系列研究工作。项目取得的主要进展如下：. (1) 揭示了铝合金型材纵向焊缝的形成机理，发现焊合质量主要取决于金属流动行为和固态焊合两个关键因素，金属流动决定了焊缝是否存在宏观缺陷，而固态焊合决定了焊缝是否存在微观缺陷；提出了一种基于应力三轴度、等效应变速率、温度和接触时间的固态焊合准则(J准则)，实验结果表明J准则可准确预测型材的焊合质量。. (2) 阐明了关键挤压模具结构和工艺参数对焊合质量的影响规律，结果表明采用锥形分流桥、较深的焊合室和较高的挤压温度，可以提高型材的焊合质量。但挤压模具和工艺参数的变化，也带来了微观组织的差异，焊合质量和微观组织共同决定了型材的力学性能。. (3) 揭示了型材焊缝区在分流焊合和固溶时效处理过程中的微观组织演化规律，研究发现挤压过程中温度、应变的不均匀性造成了焊缝区与基体区的组织差异，在挤压的不同阶段焊缝区晶粒尺寸、动态再结晶、织构均表现出不同特点。进而，基于所构建的铝合金本构方程和动态再结晶模型，准确模拟了挤压成形过程中材料的动态再结晶行为。. (4) 明确了蝶形模、锥形模等新型模具挤压成形的优缺点，采用新型挤压模具结构能够在一定程度上提高型材的焊合质量，但设计模具时应注意材料流动和模具强度等问题；基于分流焊合原理，提出了一种异种铝合金材料的共挤成形方法，为异种铝合金的连接提供了新思路。. 项目的开展，有助于提高铝合金型材挤压模具与工艺的设计水平，减少型材产品的废品率。研究结果在MD、MSEA、JMPT、JAC等本领域权威期刊和学术会议发表论文17篇，其中SCI收录14篇，获授权发明专利1项，申请发明专利1项。