汽车排气系统用不锈钢及焊管制造技术

铁素体不锈钢具有良好的耐氧化性、低的热膨胀系数、高的抗腐蚀性能以及更为经济的成本，使得铁素体不锈钢更多地用于汽车排气系统零部件。欧美及日本汽车全部使用不锈钢材料特别是铁素体不锈钢用于排气系统零部件制造以满足汽车轻量化及严格的尾气排放要求。其中，汽车排气系统中60%以上零件为管件。介绍了汽车排气系统的构成、常用不锈钢品种及各部件的性能要求，并阐述了汽车用不锈钢焊管的主要焊接加工方式。

1汽车排气系统的组成及性能要求

1．1汽车排气系统用不锈钢材料

在汽车高性能化、轻量化的过程中，为适应汽车尾气排放标准的严格要求，从20世纪后期开始在汽车排气系统中使用不锈钢。美国于60年代已经开始将铁铬钛不锈钢用于排气系统。日本也在70年代对排气标准做了规定，使汽车制造商在汽车排气系统中增加三元催化装置以净化尾气排放。在80年代末期，日本政府还对汽车排气系统的使用寿命作出了规定，从而加快了铁素体不锈钢的推广应用［1］。目前，在欧洲、美国及日本的汽车中，汽车排气系统已经100%使用不锈钢，特别是近年来，为适应排气温度的不断升高，使用能耐高温、耐腐蚀的不锈钢代替铸件和镀铝钢管已得到了汽车制造商的广泛应用。早期，日本、美国、欧洲等广泛采用了不锈钢制作汽车排气系统，主要材料为304不锈钢。20世纪90年代开始，随着不锈钢冶炼技术的进步，特别是EAF+AOD+VOD三步法冶炼超纯铁素体不锈钢冶炼技术的快速提高，使铁素体不锈钢中的C+N含量已经可以控制在200×10－6以内，大大改善了铁素体不锈钢的加工成形性和耐腐蚀性能，再加上铁素体不锈钢固有的高导热性和低的热膨胀性能，使铁素体不锈钢在汽车排气系统中的应用得到进一步提高［2］。近年来，我国汽车工业得到快速发展。2005年产销超过550万辆后，2010年我国汽车产销已经达到1800万辆，已经连续2年汽车产销量成为世界首位，年均增长率超过了20%。409L作为汽车排气系统用主要钢种，已大量在汽车上应用。随着排放等级的提高及零部件使用寿命的提升，中铬铁素体不锈钢应用不断扩大。主要的中铬铁素体不锈钢包括用于热端的SUS429，SUS441，SUS444等，用于中低温端的SUS432L，SUS436L及SUS439等。根据车型的不同，使用的不锈钢量不同，综合来说，每辆车排气系统用不锈钢约15kg，按照2010年产量1800万辆，乘用车约1500万辆预计，2010年排气系统用不锈钢年需求量约22万t，不锈钢在我国汽车工业的应用前景非常诱人。

1．2汽车排气系统主要组成及性能要求

汽车排气系统从靠近发动机一侧开始，由排气岐管、前管、柔性管、催化转换器、中管、消音器和尾管等构成。根据车形的不同，有的还安装数个催化转换器及副消声器等，如图1所示。汽车排气系统用不锈钢因其所处位置不同，对材料的性能要求各不相同。处于高温端的岐管和前管，因为零部件直接与发动机相连接，因此对高温性能，如高温疲劳、热疲劳、高温氧化等性能要求较高。同时，岐管因其成形复杂，对材料的加工成形性能也提出了较高要求［5，6］。汽车排气系统中的催化转换器承担着三元催化作用，其有效的催化作用发生环境温度超过1000℃，因此用于催化转换器外壳的材料同样要求其具有良好的耐高温氧化作用。同时，因催化转换器所处位置易于与外界接触，特别是处于沿海和融雪地域使用的汽车，其催化转换器外壳还易于受到高温盐蚀的腐蚀作用，材料耐高温盐蚀性能显得尤为重要。中管用于连接前管和消音器，其使用温度在600℃左右，主要失效也是高温盐损。消音器是排气系统主要组成部分，其材料失效主要是冷凝液的腐蚀失效。汽车排气系统各组件工作时的服役温度和对性能的要求表1所示。

在排气系统零部件构成中，管件约占总重量的60%以上，如岐管、前管、中管、消声器中的弯管及尾管等。这些管材是由冷轧板经过弯管成形及焊接获得不锈钢焊管，不锈钢焊管还要经过弯管成形、缩颈、扩管等冷加工及焊接等工艺过程，加工成不同形状的管件，因此，要求焊管具有良好的成形性能和焊接性能。针对占使用比例较高的不锈钢焊管，早期的焊接主要采用氩弧焊（TIG）焊接方式。随着高频焊接（HFW）及激光焊接（LBW）工艺的广泛应用，在欧美及日本，汽车用不锈钢焊管已经完全采用了高效率的高频焊接及激光焊接模式。在我国，受激光焊接及高频焊接对设备的投入大、焊接工艺要求高等因素制约，主要焊管厂的焊接工艺仍然以TIG焊为主。最近几年，随着我国汽车工业的快速发展，与之配套的汽车零部件总承厂及其二级供应商也认识到高频焊接及激光焊接工艺的显著优势，特别是为适应产量和使用需求，已经有部分焊管企业新增焊管产线转向激光及高频焊接工艺。

住友金属公司经过试验确定了单一激光焊接条件下的最佳焊接条件：

（1）焊接点位置焊接钢管时，带钢两端面从成形辊出来到挤压辊之间逐渐靠近形成圆筒，焊接点的位置不同对焊缝质量有很大影响。设定焊接点位置以挤压辊轴心线为准，在成形辊一侧为“－”值，定径辊一侧为“+”值。经试验确定最佳焊接点范围为0～2mm，若是超过0时在“+”一侧，由于两端面间隙过大焊接不足形成咬边缺陷，焊接点为－4mm，由于两端面间隙过小焊缝隆起也是不符合要求的。

（2）离焦量激光加工时离焦量对焊缝形状和临界焊接速度有重大影响。离焦量大小一般由试验确定。住友金属公司采用5．5kWCO2激光，2m/min的速度焊接3mm厚SUS304不锈钢管时，有如下试验结论：离焦量为－2～0mm范围时，外表面焊缝宽度最小值为2mm左右，此区域内表面焊道宽度的最大值为1mm左右。焊接过程中，激光加工聚焦点位置必须保证有足够的线能量，才能完全防止焊接缺陷。对试验钢管的最佳离焦量为－1mm左右。离焦量与焊缝形状的影响如图15。

（3）保护气流量保护气流量的确定对激光焊接等离子体抑制效果有很大影响，直接影响到焊接质量。采用Ar气保护，最佳流量为20～30L/min。若按照最佳工艺参数进行激光焊接，焊边接合部因激光焊的热流速度很快而实际上不存在热效应区。对于汽车用铁素体不锈钢焊管而言，完全可以省去焊缝的热处理工序。激光焊接技术是生产奥氏体、铁素体不锈钢管的最佳方法，也是生产其他种类焊管的有效方法，不仅可以提高焊管生产效率2～3倍（与TIG相比），还可以改善焊接质量，并且能获得用其他生产方法难以达到的钢管性能。如王福德采用CO2激光焊在焊管生产线上对2mm厚日本原产409D（00Cr13Ti）铁素体不锈钢进行焊接，并对焊管进行扩口试验和焊接接头显微组织分析。结果表明：激光焊接铁素体不锈钢管具有接头热影响区窄、晶粒长大程度小、冷加工成形性能好的优点，可以很好地满足汽车排气管生产后续的所有冷加工工艺要求。图16为宝钢SUS304和B429激光焊管的焊缝金相组织，图17为宝钢采用不同焊接方式加工的SUH409L焊管的扩口性能比较。近年来，由于激光焊接技术和装置的发展，采用激光焊接法生产铁素体不锈钢焊管焊缝质量明显提高，使冷成形的废品率降低到0．5%以下。鉴于激光焊接焊管的良好加工工艺特性，对高档轿车和复杂加工的管件而言，越来越多的零部件公司倾向于采用激光焊接方法用于生产铁素体不锈钢焊管。

2．4HFW+LBW组合焊接

在汽车用铁素体不锈钢焊管的生产制造中，除了上述方法之外，还有一些由此衍生而来的组合焊接方法，目的是扬长避短，将几种焊接方法加以组合，发挥各自的优势。在不断的探索中，许多企业已掌握了一定的组合焊接技术如感应加热和激光焊接组合技术等。日本川崎公司在这方面取得了很大的进展。组合焊接系统的第一步进行预热和加热，第二步进行熔化和焊接。预热和加热采用高效和易控的高频电阻热，第二步则使用高能量密度的焊接工艺，如TIG和激光焊，熔化管坯边缘实施焊接。这种组合焊接工艺，可以通过在原有的单一功能焊接设备的基础上，增加高频感应加热装置加以实现。其中，高频感应预热+激光焊接是较为常见的方式。高频感应预热+激光焊接是用高频感应热源对工件进行预热，不仅使工件预热到一定的温度，提高工件对激光的吸收率，使激光能量利用率提高，而且使热影响区温度梯度减小，降低焊接后工件冷却速度，使凝固和随后的固态冷却过程变得缓慢，改善焊接后的微观组织，提高焊缝强度，减少或消除气孔和裂纹的生成，减少或防止薄壁工件变形。日本住友金属兴业（株）钢铁技术研究所将高频感应与激光复合焊接方法应用于不锈钢管制作中。如图18所示，用高频电源预热钢管，用激光进行焊接。在焊接直径为34mm，厚度为3mm的SUS304不锈钢管时，高频感应圈将钢管预热到554℃，焊接速度可达到无预热激光焊接的3倍，而且接头质量良好［15］。川崎制铁公司对SUS430、壁厚为4mm，采用单一HFW、HFW+激光焊接做对比试验。在同样线能量条件下，HFW+激光焊接的复合焊接方法，其焊接面积缺陷在0．05%以下，而单一的HFW法的焊接缺陷面积在0．1%左右。新日铁公司对10～12mm厚不锈钢板采用单一的HFW和HFW+激光焊接法，在同样条件下作对比试验。其结果HFW+激光焊接的复合法比单一HFW的焊接缺陷要少得多。预热温度对HFW+激光焊接临界速度的影响如图19［4］。从上述试验结果可以确认，对厚壁不锈钢焊管的焊接，HFW+激光复合焊接方法均优于HFW和激光的单一焊接法。

3结语

随着我国汽车工业的快速发展及对汽车尾气排放要求的不断提高。开发高效、节能、环保的汽车产品是未来汽车发展的主流方向。汽车排气系统用不锈钢零部件的性能要求如焊接、成形、腐蚀等会进一步提高。为适应不断提高的汽车产量及焊管零部件加工和使用性能要求，高频焊接及激光焊接的优势更加明显。高效率及高性能的高频焊接和激光焊接工艺会更多用于汽车排气系统零部件用焊管的生产加工。在不锈钢焊管的生产当中，我们可以根据焊管材料的种类、壁厚以及焊管的使用条件选择合适的焊管加工方法。汽车排气系统用焊管，对于弯管及扩管加工要求较高时，除对焊管本身的材料有较高要求外，进一步提高焊管焊缝的质量也非常重要。汽车排气系统用铁素体不锈钢焊管的生产，从焊缝质量来考虑，激光焊接是最佳的方法，高频焊接的生产效率最高。激光焊接技术的应用，能把铁素体焊接热影响区晶粒长大的危害降低至最低程度，保证热影响区有足够的韧性，满足排气管冷加工变形的要求。考虑到经济成本和生产效率方面，对于薄壁焊管采用HFW是最经济高效的焊接方式。对于较厚管壁的不锈钢焊管，组合焊接模式的工艺可能会更佳，除了能满足焊管的质量要求外，还能带来好的经济效益。如川崎利用单一激光焊接薄壁管（＜3mm），利用HFW+激光焊接的复合法焊接厚壁管（＞3mm）就给予了我们很好的启示。激光及高频不锈钢焊管制造在我国还处于发展阶段，我国目前已经有部分主要焊管企业在推进高频及激光焊管的应用。随着我国汽车工业的发展，汽车用不锈钢焊管的需求会不断提高，对不锈钢焊管的技术要求也会随之提高。未来我国汽车用不锈钢焊管的发展主流应该是高频和激光制管技术。通过高频及激光制管技术的发展，进一步缩小我国在汽车用不锈钢焊管制管方面与欧美之间的差距。