连续挤压产品气泡原因分析及措施

连续挤压是一种新型高效的压力加工技术, 其原理是将传统压力加工中做无用功的摩擦力转化为变形的驱动力, 和金属塑性变形热一并成为坯料升温的发热源, 是一种高效的加工技术, 是有色金属加工技术的一次革命[1].连续挤压技术具有短流程、低成本、品质优、高效节能以及可实现连续自动化等特点, 在铜加工诸多领域得到了快速发展和广泛应用.

导电排和铜母线作为输变电的导电材料, 是应用于电力领域的重点产品之一.随着国民经济的发展以及人民生活水平的提高, 我国电力、电网的改造和建设速度不断加快, 市场对导电排、铜母线的需求量越来越大, 质量要求也日益提高.根据市场需要, 公司引进具有国际先进水平的连续挤压技术(Conform), 生产各类铜排(铜母线)、异形材.据公司内部质量数据, 2015年度气泡报废量统计的不合格品检验数据, 连续挤压机产生气泡缺陷的报废量占不合格品报废量的20.58%.连续挤压制品表面的“气泡”缺陷问题, 严重影响了生产成本、效率与生产周期.鉴于客户对产品质量的高要求, 减少或避免连续挤压产品气泡的产生, 迫在眉睫.

连续挤压铜排产品中的气泡缺陷按照气泡出现的时间分两种:一种是连续挤压出的产品中出现的气泡, 称为挤压气泡, 挤压气泡缺陷如图 1(a)所示; 第二种是连续挤压出的产品气泡没有暴露出来, 产品经轧制或拉拨后若对其直接退火, 则会在产品表面出现大量气泡, 称为退火气泡[2], 如图 1(b)所示.气泡缺陷的危害主要表现在以下几个方面:(1) 表面存在气泡缺陷的铜排在后序进行轧制或拉拔时气泡破裂, 气泡暴露后, 在气泡破裂处产品的表面留下划痕, 最终影响产品的表面质量; (2) 铜排内部的气泡会影响产品的折弯, 折弯时会出现裂纹, 存在质量隐患; (3) 铜排内部的气泡影响客户的最终使用, 无法满足工业的使用要求.

通过对生产全过程:人、机、法、料和环五大要素进行排查和分析, 分析结果见图 2.

通过分析, 找到连续挤压气泡产生的根本原因, 要因确认计划见表 1.

根据上引连铸原理, 在一定的牵引力作用下, 铜液上引结晶凝固, 金属液在自上而下的凝固过程中, 结晶前沿气体的过饱和度很高, 当气体达到一定的过饱和度时, 能完全依靠自发形核, 长大成气孔, 很容易在铸杆中形成气孔.由于铸造生产的特殊性, 熔体流动过程中极容易吸气, 所以在铜熔体中总会有部分H2存在.内部残留微小气泡的铜排, 在经过轧制或拉拔后, 这些气泡渐渐接近铜排的表层, 如果再对其进行高温退火, 这些气孔就会在热膨胀力的作用下, 胀破铜排表皮, 形成气泡缺陷[3].

为减少气泡缺陷的产生, 可对上引炉采取如下控制措施:(1) 木炭必须干燥无杂物, 不能露铜; (2) 必须合理控制熔炼温度, 温度越高, 铜液中的H2和O2含量增加越多, 尽可能采用低温熔炼为佳, 投料时应遵循均匀、统一、少加和勤加的原则, 防止铜水温度过高或过低影响铜杆产品质量; (3) 每班定时对炉口挂渣进行清理; (4) 铸造、制品和器具等要干燥.

确认方法及验证:随机抽样7支铜杆进行O2含量检测, O2含量1级的有5支, 占71.43%;O2含量2级的有1支占14.29%;O2含量3级的有1支占14.29%.并对不同O2含量级别的铜杆用管式电炉进行820 ℃×20 min的高温退火, O2含量3级的铜杆有清晰可见的鼓泡.故铜杆含气量高, 导致挤制产品产生气泡, 是主要原因之一.

铜杆在挤压工序生产前一般都要运输或存放, 在此过程中, 由于种种原因会导致铜杆表面氧化或者落有灰尘等, 进入连续挤压工序后, 产品中会出现气泡缺陷.

确认方法及验证:不同时段对上引铜杆进行全面的跟踪试验, 试验跟踪有氧化的铜杆共有23个批次, 产品表面产生气泡的有14个批次, 氧化原因导致有气泡的占60.87%.铜杆表面正常没有氧化的共有28个批次, 产品表面有气泡的有2个批次, 铜杆表面无氧化导致有气泡的占7.14%.故铜杆表面被污染或氧化, 是主要原因之一.

放线装置与输送装置有一定的距离, 均采用人工穿插方式, 故放线距离越远, 人工穿插越轻松.放线装置没有缓冲级别, 在接铜杆或在挤压过程中与挤压速度不匹配时, 铜杆会拖地黏附地面的灰尘和油污, 该铜杆进入连续挤压工序后, 挤出的产品中会出现气泡缺陷.

确认方法及验证:将黏附有灰尘和油污的铜杆进行挤压, 坯料表面有无气泡缺陷.经过验证, 铜杆表面黏附有灰尘或油污, 挤压产品表面会产生气泡, 是主要原因之一.

输送装置与铜杆接触处没有圆滑过渡, 造成铜杆二次划伤, 铜杆表面粗糙不平, 伴有毛刺, 这样的铜杆进入连续挤压工序后, 在挤出的产品中会出现气泡缺陷.

确认方法及验证:通过输送装置, 在过程中蓄意对铜杆进行二次损伤, 观察挤压出来的坯料有无气泡缺陷.经过验证, 连续挤压机输送装置边角不圆滑如对铜杆造成二次损伤, 挤制产品的坯料表面会产生气泡, 是主要原因之一.

挤压轮冷却水系统发生泄漏, 沾到铜杆上或溢到挤压轮凹槽里, 使挤出的产品中出现气泡缺陷[4].

确认方法及验证:不同时段对挤压轮漏水问题进行全面的跟踪试验, 试验跟踪产生气泡的坯料共有16个批次, 冷却水溢到挤压轮凹槽里导致产品表面有气泡的有9个批次, 挤压轮漏水导致有气泡的占56.25%.故挤压轮冷却水泄漏影响铜杆, 导致坯料表面产生气泡, 是主要原因之一.

挤压时由于工作间隙不当, 凹槽包铜区掉块、起皱或变形, 连续挤压时将气体带入, 挤出的产品中出现气泡缺陷.

确认方法及验证:不同时段对挤压轮凹槽包铜区缺块、起皱, 刮刀刮不干净以及有废料带入挤压轮的问题进行全面的跟踪试验.有以上缺陷带入挤压轮的共有17个批次, 产品表面有气泡的有5个批次, 此缺陷导致有气泡的占29.41%.故挤压轮凹槽包铜区缺块、起皱、刮刀刮不干净以及有废料带入挤压轮, 导致坯料表面产生气泡, 是主要原因之一.

由于操作人员操作不当或责任心不强, 发现问题不停机处理解决, 抱侥幸、马虎心态导致产品批量不合格.

确认方法及验证:查阅员工培训档案, 在生产现场进行测试, 均能实践操作.在生产现场, 查阅生产记录, 记录填写不够完整, 没有做好首检、中检和尾检的自检工作.在工艺纪律检查过程中, 巡检发现坯料有气泡是因为操作工自检力度不够, 如能及时发现坯料有气泡能及时停机处理, 就能避免产品批量性不合格.故操作人员操作技能、质量培训不够, 责任心不强, 质量意识淡薄, 是主要原因之一.

通过以上逐条确认, 梳理出连续挤压产品产生气泡的主要原因是:

(1) 铜杆含气量高;

(2) 铜杆表面有污染或氧化;

(3) 铜杆拖地黏附有灰尘油污;

(4) 连续挤压机输送装置损伤铜杆表面;

(5) 挤压轮冷却水泄漏影响铜杆;

(6) 挤压轮凹槽包铜区缺块、起皱, 刮刀刮不干净, 有废料带入挤压轮;

(7) 操作人员操作技能、质量培训不够, 员工责任心不强, 质量意识淡薄.

根据气泡产生原因, 制订具体措施, 见表 2.

为了减少连续挤压坯料产生的气泡, 通过对气泡产生的原因进行分析, 成立了连续挤压气泡攻关项目小组, 由具体负责人每天对各生产工序进行指导与监督, 按制定的具体解决措施进行管控与预防, 从而减少气泡缺陷带来的质量问题.

通过一系列预防及整改措施, 消除了连续挤压生产全过程中产生气泡的不利因素, 大大减少了气泡缺陷的产生, 降低了生产成本, 提高了生产效率.根据公司内部质量数据统计, 连续挤压机工序2016年度气泡缺陷报废量比较2015年度气泡报废量减少到8.64%.生产实践说明:连续挤压挤制产品气泡产生原因分析到位、生产过程的管控与预防措施到位, 连续挤压机挤压产品的气泡得到有效的控制, 并达到了预期效果, 稳定、提高了产品综合质量, 降低了制造成本.