Алюминиевые экструзионные профили: сплавы, конструкция и допуски

Ан алюминиевый профиль экструзии представляет собой линейную структурную форму, полученную путем проталкивания нагретой алюминиевой заготовки через фасонное отверстие матрицы под высоким давлением, создавая непрерывную длину постоянного поперечного сечения. Основное преимущество этого процесса состоит в том, что практически любая геометрия поперечного сечения может быть изготовлена в виде одной детали, включая крепежные пазы, резьбовые втулки, ребра радиатора, петли и каналы для проводки непосредственно в профиль. , устраняя этапы сборки и сварки, которые потребовались бы для готовых стальных или механически обработанных компонентов. Наиболее часто используемые алюминиевые сплавы для архитектурной и конструкционной экструзии — это серия 6000 — преимущественно 6060, 6061, 6063 и 6005А — которые предлагают оптимальный баланс экструдируемости, механической прочности, коррозионной стойкости и реакции на анодирование и порошковое покрытие. Выбор правильного сплава и состояния для применения является наиболее важным решением при проектировании экструзии, поскольку он определяет прочность профиля на разрыв, качество его поверхности после анодирования и его поведение в экструзионном прессе, что напрямую влияет на достижимые допуски и стоимость за килограмм.

Процесс экструзии: от заготовки к профилю

Преобразование цельного алюминиевого цилиндра в сложный профиль происходит на горизонтальном экструзионном прессе. Бревно из алюминиевого сплава, обычно диаметром от 150 до 300 мм, разрезанное на заготовки длиной от 600 до 1200 мм, предварительно нагревается в индукционной или газовой печи до температуры от 430°С и 500°С , переводя металл в пластичное, ковкое состояние ниже температуры плавления. Нагретая заготовка передается в пресс-контейнер, где гидроцилиндр, способный прилагать усилия от 1000 до более 10 000 тонн, проталкивает алюминий через отверстие матрицы на выходе из контейнера. Коэффициент экструзии — площадь поперечного сечения заготовки, деленная на площадь поперечного сечения профиля — обычно находится в диапазоне от от 10:1 до 80:1 для архитектурных профилей, хотя для простых сплошных форм возможно соотношение до 200:1.

Когда металл проходит через матрицу, он подвергается сильной пластической деформации, которая выравнивает зеренную структуру сплава с направлением экструзии, придавая анизотропные механические свойства. Экструдированный профиль выходит из матрицы при температуре, близкой к температуре предварительного нагрева заготовки, и со скоростью, которая варьируется в зависимости от сплава и сложности профиля — от От 2 до 5 метров в минуту для мягкого сплава 6060. в простых формах до менее 0,5 метра в минуту для твердых сплавов серии 7000 в тонкостенных сложных сечениях. Профиль охлаждается сразу после выхода из матрицы либо с помощью принудительного воздуха, либо с помощью водяного распыления, чтобы заморозить микроструктуру до того, как произойдет рост зерен. Затем профиль растягивается на контролируемую величину — обычно Удлинение от 0,5% до 2% — для распрямления и снятия остаточных напряжений, возникших при охлаждении. Наконец, профили разрезаются по длине и подвергаются старению в печи для выделения упрочняющих фаз, которые развивают заданные механические свойства сплава.

Выбор сплава: серия 6000 и их свойства

Алюминиевые сплавы серии 6000 представляют собой материалы, упрочняемые старением, основными легирующими элементами которых являются магний и кремний, которые объединяются во время термообработки старением, образуя тонкую дисперсию выделений силицида магния (Mg₂Si). Эти выделения препятствуют движению дислокаций, обеспечивая механизм упрочнения, который повышает предел текучести сплава по сравнению с экструдированным состоянием. Соотношение магния и кремния, общее содержание сплава и параметры старения — это регуляторы, которые отличают сплавы семейства 6000.

Рейтинг экструдируемости напрямую влияет на скорость экструзии и, следовательно, на стоимость. Сплав 6060 быстро экструдируется с минимальным износом штампа и позволяет изготавливать самые тонкие секции стенок, что делает его наиболее экономичным выбором там, где требования к прочности скромны. Сплав 6082, напротив, требует более высоких температур заготовки, более низких скоростей экструзии и более частой замены матрицы, что увеличивает стоимость профиля на 30–50 % по сравнению с эквивалентным профилем 6060. Принцип выбора заключается в том, чтобы выбрать сплав с наименьшей прочностью, который соответствует структурным требованиям, если только качество отделки поверхности — особенно для анодированных архитектурных применений — не требует использования более чистого сплава, такого как 6060 или 6063.

Правила проектирования профиля: толщина стенки, допуски и технологичность

Проектирование алюминиевого профиля для экструзии требует соблюдения геометрических правил, которые гарантируют, что профиль может быть изготовлен последовательно, экономично и с необходимыми допусками. Самым фундаментальным ограничением является минимальная толщина стенки , который определяется диаметром описанной окружности (CCD) — наименьшей окружностью, полностью охватывающей поперечное сечение профиля. Для профиля с ПЗС 100 мм минимальная толщина стенки от 1,5 до 2,0 мм обычно достижима для сплава 6060, а для сплава 6061 она увеличивается до 2,5–3,0 мм. Возможны более тонкие стенки — до 1,0 мм для небольших профилей из сплава 6060 — но они увеличивают давление экструзии и сокращают срок службы матрицы. Общее правило: отношение толщины стенки к диаметру описанной окружности должно быть не менее 1:40 для сплава 6060 и 1:25 для 6061.

Острые внутренние углы концентрируют напряжение в матрице и экструдированном профиле и должны быть закруглены. Минимальный внутренний радиус от 0,5 мм до 1,0 мм является стандартным, больший радиус предпочтителен для сплавов с более низкой экструдируемостью. Внешние углы могут быть более острыми (достижим радиус 0,3 мм), но слишком маленький радиус приведет к быстрому износу кромки матрицы, что приведет к «вымыванию», когда угол становится все более закругленным в течение производственного цикла. Для полых профилей требуется перемычка или матрица-иллюминатор, которая разделяет поток алюминия вокруг оправки, а линии сварки, где разделенные потоки воссоединяются, должны учитываться при проектировании конструкции профиля; Прочность продольного сварного шва в правильно экструдированном полом профиле составляет примерно От 85% до 95% прочности основного металла. для сплавов серии 6000.

Допуски на алюминиевые профили определяются ЭН 755-9 в Европе и АНСИ Х35.2 в Северной Америке, при этом диапазон допуска зависит от размера и окружности профиля. Типичный размерный допуск для размеров поперечного сечения менее 100 мм составляет от ±0,3 мм до ±0,5 мм, расширяясь до ±0,5 мм до ±0,8 мм для размеров от 100 мм до 300 мм. Угловые допуски обычно составляют от ±1° до ±2°. Можно добиться более жестких допусков (и это должно быть указано в чертеже), но они увеличивают стоимость штампа и процент брака. Разработчик профиля должен указать допуск на чертеже, а не полагаться на стандарт по умолчанию, и допуск не должен быть более жестким, чем действительно требует функция.

Обработка поверхности: анодирование, порошковое покрытие и механическая обработка.

Алюминиевые экструзионные профили редко используются в экструдированном состоянии для архитектурных целей. Поверхность преобразуется в результате ряда химических и механических обработок, которые обеспечивают защиту от коррозии, цвет и текстуру. Двумя доминирующими процессами отделки являются анодирование и порошковое покрытие, каждый из которых имеет свои преимущества и требования к процессу.

Анodizing

Анodizing is an electrochemical process that converts the aluminum surface into a controlled thickness of aluminum oxide (Al₂O₃) by making the profile the anode in an electrolytic bath—typically sulfuric acid—with a direct current applied. The oxide layer grows both outward from and inward into the aluminum surface, forming an integral ceramic coating that is Толщина от 5 до 25 микрон для архитектурных приложений. Оксид прозрачный, твердый (около 350-400 HV по шкале Виккерса) и микропористый. Пористость используется на следующем этапе герметизации — обычно при погружении в кипящую деионизированную воду или раствор ацетата никеля — который гидратирует оксид и закрывает поры, создавая коррозионностойкую, неабсорбирующую поверхность. Анодированная отделка доступна в натуральном серебре (прозрачное анодирование), в различных бронзовых и черных тонах, достигаемых за счет изменения параметров анодирования и состава сплава, или в электролитически окрашенной отделке, при которой соли металлов откладываются в порах оксида перед герметизацией.

Выбор сплава критически влияет на внешний вид анодированного покрытия. Сплав 6060 с контролируемым содержанием железа ниже 0,25% обеспечивает самое чистое и однородное анодированное покрытие с минимальными видимыми линиями штамповки или полосами. Сплав 6061 с более высоким содержанием железа, меди и хрома дает анодированное покрытие, которое имеет слегка серый цвет и может иметь видимый рисунок линий потока, что неприемлемо для декоративного архитектурного применения. Стандарт архитектурного анодирования: КВАЛАНОД сертификация, которая определяет контроль процессов предварительной обработки, анодирования и герметизации, а также требования к качеству толщины пленки, качества герметизации и устойчивости к ультрафиолетовому излучению.

Порошковое покрытие

Порошковое покрытие наносит на алюминиевую поверхность сухой электростатически заряженный полимерный порошок с последующей отверждением в печи, в ходе которого порошок плавится и сшивается в непрерывную пленку. Стандартные типы порошка для архитектурного алюминия: полиэстер и сверхпрочный полиэстер , нанесенный при толщине пленки от 60 до 80 микрон. Порошковое покрытие обеспечивает более широкую цветовую палитру, чем анодирование, включая яркие цвета, металлические эффекты и текстурированную отделку, и более устойчиво к незначительным дефектам поверхности подложки, поскольку пленка покрытия заполняет и скрывает неглубокие линии штампа. Отраслевой стандарт качества КВАЛИКОТ , который определяет предварительную обработку (обычно конверсионное покрытие без хрома), параметры нанесения порошка и отверждения, а также требования к адгезии, ударопрочности и устойчивости к атмосферным воздействиям. Сверхпрочные полиэфирные порошковые покрытия, соответствующие классу 2 QUALICOAT, предназначены для наружного применения, где сохранение цвета и глянца под воздействием УФ-излучения имеют решающее значение, с минимальным рейтингом воздействия во Флориде 3 года без значительного ухудшения качества.

Т-образный паз и модульная экосистема каркаса

Особенно важной категорией алюминиевых профилей является система структурного каркаса с Т-образными пазами, чаще всего основанная на квадратном или прямоугольном профиле с продольной Т-образной прорезью на одной или нескольких сторонах. Геометрия паза — прямоугольный канал с суженным отверстием — допускает использование гайки специальной формы, которую можно расположить в любом месте паза и зафиксировать на месте, повернув зацепляющий его болт. Эта система позволяет собирать каркасы конструкций, ограждения машин, рабочие станции и корпуса без сварки и сверления, а также с возможностью переконфигурации или разборки. Стандартные серии Т-образных пазов имеют размер номинальной ширины профиля в миллиметрах. 20 мм, 30 мм, 40 мм и 45 мм Это наиболее распространенные размеры основания, каждый из которых имеет определенную ширину прорези (обычно 5 мм, 6 мм, 8 мм или 10 мм), которая определяет совместимые крепежи и аксессуары.

Профиль Т-образного паза почти всегда экструдируется из сплава 6060 или 6063 с отпуском Т5 или Т6, поскольку геометрия паза требует сложной конструкции штампа — консольного язычка из стали штампа, который образует подрез паза — который выигрывает от более мягких и легко экструдируемых сплавов. Модульность системы Т-образных пазов усиливается обширным каталогом совместимых аксессуаров: угловых кронштейнов, косынок, петель, фиксаторов панелей, линейных опорных рельсов, конвейерных роликов и монтажных ножек, которые предназначены для установки в Т-образный паз без изменения профиля. Расчетная несущая способность Т-образной рамы определяется моментом инерции профиля, усилием прижима крепежа и прочностью кронштейна. Типичный профиль Т-образного паза 40x40 мм из 6060-T5 имеет момент инерции Ix примерно от 6,5 до 9,0 см⁴ в зависимости от толщины стены, что придает ей грузоподъемность в середине пролета в несколько сотен килограммов на пролете 1 метр до превышения предела прогиба L/300, обычно используемого для каркасных конструкций.

Технология терморазрыва для энергоэффективных окон

Алюминий является отличным проводником тепла, его теплопроводность составляет около 160 Вт/м·К для сплавов серии 6000, что превращает цельную алюминиевую оконную раму в тепловой мост между внутренней и внешней средой, что приводит к образованию конденсата на внутренней поверхности рамы и значительным потерям тепла. Решением является термически сломанный алюминиевый профиль, в котором один алюминиевый профиль заменяется двумя отдельными профилями — один обращен снаружи, другой — внутрь, соединенных структурным изолятором, обычно полосой полиамида (PA66), армированной стекловолокном. Полоса полиамида вставляется в продольные пазы обоих алюминиевых профилей и сворачивается или обжимается на месте, создавая непрерывное структурное соединение с теплопроводностью всего 0,3 Вт/м·К , что примерно в 500 раз ниже, чем у отделяемого им алюминия.

Общий коэффициент теплопередачи термически разрушенной алюминиевой оконной рамы зависит от глубины полиамидной полосы и сложности экструзионных профилей, которые могут включать в себя несколько изоляционных камер. Современный оконный профиль с термическим разделением и глубиной рамы от 70 до 90 мм и трехкамерным стеклопакетом может обеспечить коэффициент теплопередачи всего окна, равный от 0,8 до 1,2 Вт/м²·К , соответствующий стандарту пассивного дома 0,8 Вт/м²·К или ниже. Термический разрыв также смещает точку росы наружу, так что при нормальных условиях внутренней влажности внутренняя поверхность рамы остается выше точки росы и предотвращается образование конденсата. Структурная целостность термически разрушенной сборки проверяется испытанием на сдвиг по стандарту EN 14024, при котором полиамидная полоса должна сохранять сцепление с обоими алюминиевыми профилями при растягивающей сдвигающей нагрузке не менее 24 Н на миллиметр длины полосы.

Расчет конструкций: свойства сечения и потеря устойчивости

Ан aluminum extrusion used as a structural member—a beam, a column, or a frame element—must be analyzed for its section properties and stability under load. The primary section properties are the cross-sectional area, the moments of inertia about the principal axes, and the section moduli. Because aluminum's modulus of elasticity is примерно 70 ГПа — примерно на треть меньше, чем у стали — прогиб, а не напряжение, часто является определяющим критерием проектирования алюминиевых балок. Согласно Руководству по проектированию алюминия, допустимый предел прогиба для алюминиевых конструктивных элементов в строительстве обычно составляет L/250 для балок, поддерживающих штукатурку или хрупкую отделку, и L/200 для балок, поддерживающих гибкую отделку.

Потеря устойчивости является критическим видом разрушения алюминиевых колонн и тонкостенных профильных элементов при сжатии. Локальное выпучивание плоского пластинчатого элемента — полки или стенки выдавленного профиля — происходит, когда сжимающее напряжение превышает критическое напряжение выпучивания, которое зависит от соотношения ширины и толщины пластины и условий опирания кромки. Спецификация Алюминиевой ассоциации для алюминиевых конструкций классифицирует элементы профиля как усиленные (опорные по обоим краям), нежесткие (опорные только по одному краю) или усиленные по краям, а также предусматривают предельные соотношения ширины к толщине для каждой классификации и комбинации сплава и состояния. Проектировщик, стремящийся оптимизировать профиль для достижения минимального веса, будет подталкивать пластинчатые элементы к пределу потери устойчивости, признавая, что профиль может определяться стабильностью, а не текучестью материала.