汽車排氣系統(tǒng)用鐵素體不銹鋼焊管焊縫開裂失效原因

羅紅杰 俱偉濤 崔士樂

摘要：21世紀(jì)對汽車廢氣排放管理更加嚴(yán)格，且汽車零部件還要求輕量化，這就對汽車用材提出了更高的要求。據(jù)了解，目前汽車排氣系統(tǒng)所用材料正在從鑄鐵和鍍鋁碳鋼向鐵素體不銹鋼方向發(fā)展，但鐵素體不銹鋼焊管后續(xù)擴(kuò)管過程中，常出現(xiàn)焊縫開裂失效現(xiàn)象。基于此，本文分析了汽車排氣系統(tǒng)鐵素體不銹鋼管的焊接方法，并闡述了其焊接開裂失效原因，以供參考。

關(guān)鍵詞：汽車;排氣系統(tǒng);鐵素體不銹鋼焊管;焊縫開裂

引言

近幾年，我國汽車工業(yè)快速發(fā)展，汽車銷量逐年增加，2019年，汽車產(chǎn)銷分別達(dá)到2，572.1萬輛和2，576.9萬輛，如此空前的產(chǎn)量對汽車用鋼提出了更高的需求，因此，不銹鋼材料特別是高性能的鐵素體不銹鋼材料得到了廣泛應(yīng)用，當(dāng)前世界各國采用的不銹鋼比例達(dá)到15%～20%。但是排氣系統(tǒng)用不銹鋼焊管焊接過程中經(jīng)常出現(xiàn)開裂問題，本文將對此進(jìn)行深入分析。

1焊接方法

常見的鐵素體不銹鋼管的焊接方法主要包括三種：激光焊、等離子弧焊、高頻焊，下文將做詳細(xì)闡述。

1.1激光焊

激光焊是一種高效精密焊接方法，其利用能量密度極高的激光束作為熱源。相比于傳統(tǒng)焊接方法，其具有更明顯的優(yōu)點(diǎn)：能量密度高，加熱速度快，熱輸入小，熱影響區(qū)窄，焊接應(yīng)力和變形小，且I形坡口對接焊不需填充材料，即可以節(jié)約成本[1]。采用激光焊接鐵素體不銹鋼管可以滿足汽車排氣管焊后所有冷加工工藝的要求，且廢品率低于1%。

1.2等離子弧焊

等離子弧焊方法主要是借助于水冷噴嘴對電弧的拘束作用，從而獲得較高能量密度的等離子弧，從而完成焊接。等離子弧焊接用的保護(hù)氣體是Ar2，與鎢極氬弧焊相比，電弧能量集中且溫度高，焊接速度快，熱影響區(qū)窄，焊接變形小，并且由于鎢極縮于噴嘴內(nèi)，鎢極對焊縫的污染比較小[2]。

1.3高頻焊

高頻焊是利用流經(jīng)焊件連接面的高頻電流（10-500kHz）所產(chǎn)生的電阻熱作為熱源，使焊件待焊區(qū)表層被加熱到熔化或塑性狀態(tài)，同時(shí)通過施加（或不加）頂鍛力，使焊件達(dá)到金屬問結(jié)合的一種焊接方法。高頻焊具有較大的電源功率，焊接速度高，比氬弧焊的最高焊接速度高出十倍以上，且熱影響區(qū)小、焊接變形小、焊前無需清理，應(yīng)用較廣泛[3-4]。

2焊縫開裂失效原因分析

鐵素體不銹鋼汽車排氣管一般采用焊管型式，但是在實(shí)際的焊接過程中，焊接冷卻成形之后，焊管常出現(xiàn)焊縫開裂，導(dǎo)致產(chǎn)品失效、報(bào)廢。

現(xiàn)截取焊縫開裂部位的焊管作為試驗(yàn)材料樣品（圖1），同時(shí)取一根擴(kuò)管未產(chǎn)生焊縫開裂失效的焊管，將出現(xiàn)開裂的焊管中未產(chǎn)生擴(kuò)管變形部位與未出現(xiàn)開裂的焊管中未產(chǎn)生擴(kuò)管變形部位，各截取一段焊接接頭，通過金相進(jìn)行焊接接頭橫截面顯微觀察。

宏觀金相觀察照片見圖2所示，上方為未發(fā)生開裂現(xiàn)象焊管的焊接接頭橫截面金相，下方為發(fā)生開裂現(xiàn)象焊管的焊接接頭橫截面金相。通過宏觀金相可看出板材厚度約1.12mm，未發(fā)生開裂的焊管內(nèi)表面焊縫與母材過渡平緩、厚度均勻。而產(chǎn)生開裂的焊管內(nèi)表面焊縫 與一邊的母材交界處焊趾部位存在較為尖銳的角度，從而在此處會(huì)引起較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中。這主要是由于焊管制造過程中焊縫對中不夠準(zhǔn)確，存在較大的錯(cuò)邊量引起的。因而在焊管外表面焊縫余高被刮削平后，焊趾部位的管壁厚度也會(huì)大幅度減薄，經(jīng)測量約為0.92mm，分析認(rèn)為，一方面因應(yīng)力集中作用; 另一方面焊趾管壁大幅度減薄導(dǎo)致后續(xù)擴(kuò)管工序很容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

進(jìn)一步對無裂紋和有裂紋的焊管進(jìn)行維氏硬度測試，維氏硬度用符號HV表示，HV前面是硬度值，后面的數(shù)據(jù)表示試驗(yàn)條件，本次進(jìn)行了兩組實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖3。第一組硬度測試結(jié)果為：有裂紋管的硬度為132.5HV10，無裂紋管硬度為136.1HV10，第二組硬度測試結(jié)果為：有裂紋管的硬度為149.2HV10，無裂紋管硬度為151.1HV10，結(jié)果表明兩者硬度相當(dāng)，沒有顯著差異，這表明金屬材料在不同的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和熱處理工藝條件下性能沒有差異。由此推斷對于焊管擴(kuò)管開裂影響的主要因素是制管成形部分，因此必須保證焊接坡口對中準(zhǔn)確，盡可能降低錯(cuò)邊量，從而保證優(yōu)良的焊接接頭力學(xué)性能。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)綜合分析可得出如下結(jié)論：引起汽車排氣系統(tǒng)用鐵素體不銹鋼焊管后續(xù)冷成形加工焊縫開裂的主要因素是焊管產(chǎn)線制管成形部分焊接坡口錯(cuò)邊量過大，造成焊后焊縫焊趾處應(yīng)力集中過大，且在焊管外表面焊縫余高刮削平后，焊趾部位管壁減薄嚴(yán)重，最終使得后續(xù)冷成形擴(kuò)管時(shí)很容易成為開裂源而開裂失效。

所以，在生產(chǎn)不銹鋼焊管的過程中會(huì)對產(chǎn)品嚴(yán)格把控，每小時(shí)都會(huì)進(jìn)行一次擴(kuò)口試驗(yàn)，必須保證焊接坡口對中準(zhǔn)確，盡可能降低錯(cuò)邊量，從而保證優(yōu)良的焊接接頭力學(xué)性能。

結(jié)束語

綜上所述，為了避免不銹鋼焊管開裂，加工過程中必須保證焊接坡口對中準(zhǔn)確、降低錯(cuò)邊量，才能避免產(chǎn)品失效，降低報(bào)廢率。

參考文獻(xiàn)

[1]畢洪運(yùn)，潘國強(qiáng)，李鑫.寶鋼汽車排氣系統(tǒng)用鐵素體不銹鋼產(chǎn)品開發(fā)[J].寶鋼技術(shù)，2011（2）：6-11.

[2]董志剛，陳海濤，郎宇平，etal.鈮、鈦對汽車排氣系統(tǒng)熱端用鐵素體不銹鋼高溫力學(xué)性能的影響[J].鋼鐵，2013，48（2）：64-68.

[3]王銀鳳，石平.鐵素體不銹鋼在排氣系統(tǒng)冷凝液中的腐蝕特性研究[J].熱加工工藝，2019（16）：37-40.

[4]陳聰聰，劉星，李謀成.煙塵對汽車排氣系統(tǒng)用不銹鋼冷凝液腐蝕行為的影響[C]//2016年全國腐蝕電化學(xué)及測試方法學(xué)術(shù)交流會(huì).2016.