不锈钢焊管的主要焊接方法

不锈钢焊管的焊接是采用不锈钢带（板）为原料，用焊接的方法加工制造不锈钢管的一种焊接加工方式。其中，焊接方法的选择、焊接工艺的制定及焊接操作技术等是决定不锈钢焊管质量的重要因素。不锈钢焊管的生产方法首先要满足不锈钢焊接的要求；再次，与一般不锈钢焊接相比，焊管的生产还要能够实现机械化和自动化以满足大批量工业化要求。图2为采用带钢连续成形直缝焊管机组的示意图。不锈钢焊管的焊接是在连续生产线上完成的。连续线上的焊接如图3所示［9］。在连续成形焊接线上，带钢经成形到达焊接挤压辊，将焊管焊口挤压到适宜焊接的程度，随即开始焊接。汽车排气系统用不锈钢焊管大多壁厚在2．5mm以下，生产主要采用连续成形直缝不锈钢管的焊接方法。这些方法主要包括钨极氩弧焊（TIG）、高频电阻焊（HFW）、激光焊（LBW）以及它们之间的组合焊接（HFW+LBW）等。

钨极氩弧焊

钨极氩弧焊又称为非熔化极氩弧焊，通常用TIG（TungstenInertGasArcWelding）表示。TIG是借助高熔点的金属钨作为一个电极，焊接工件作为另一个电极，并利用氩气作为保护气体，在钨极与焊接工件之间引燃电弧进行焊接，如图4所示。

TIG焊主要用于薄壁管的焊接，多用于壁厚小于2．0mm的不锈钢焊管生产，包括奥氏体不锈钢及铁素体不锈钢。对于壁厚大于2mm厚的不锈钢管，采用单焊炬TIG能量不足时，可采用多焊炬（TIG）沿焊缝方向直线排列，形成长形热流分布，可明显提高焊速。TIG多焊炬焊接主要特点为：①使用材料范围较广，大部分铁素体、奥氏体钢都能适用；②对焊速有较大的适应范围，三焊炬TIG焊接厚度可以达到4mm左右。焊管加工中焊速受多因素影响，如成形技术和机组的稳定性、焊炬下的管坯边沿形状、合金的化学成分、气体的混合比、操作经验、质量要求等等，其中，最重要的是焊炬下管坯边缘的稳定和平整。无磁性材料六辊焊接箱或焊接平台来挤压和控制焊缝是常用的焊接控制方式。钨极氩弧焊需要通过保护气体有效保护焊接部位。常用的保护气体有氩气、氩气及氢气混合气等。氩气属于惰性气体，不与熔融金属发生反应，也不溶于金属，可以起到有效的保护作用。同时，氩气还是单元子气体，在高温下不会分解吸热，且电弧稳定性好。而氩、氢混合气体则可以提高电弧温度，增加母材的热输入量，从而提高焊接速度。钨极尾端的形状对焊接电流大小及焊缝成形有较大的影响。通常，在焊接薄板件及使用小电流时采用小直径钨极，并将头部磨成锥形（一般在20°），以确保焊接电弧稳定；焊接电流过大时通常将锥头磨成钝角或平面以增加电弧的稳定，并减少钨极的烧损，使焊缝成形均匀。焊接电流是钨极氩弧焊的主要规范参数，可以根据焊接材料的厚度与物理特性来确定。电流过大会导致咬边、焊漏等缺陷，而电流过小会造成焊缝未焊透等缺陷。对于确定的焊接电流，控制焊接速度和电弧电压也是焊接工艺的主要控制因素。通常采用短弧并匹配合适的焊接速度来获得焊缝质量。对于保护气流和喷嘴孔径的确定，要考虑焊接电流、弧长、电极伸出长度、焊接速度及焊接接头形式等因素。通常薄壁不锈钢焊管的焊接以选择脉冲氩弧焊为主。焊接电流的大小会影响焊缝的熔深、焊接速度和熔敷金属量。在许可范围内，焊接电流大，焊接熔深也深。焊接过程中可以通过调控焊接电流控制熔深。同时，为保证不锈钢焊缝的性能，并不是电流越大越好。TIG焊接电流的控制对焊接质量的影响如图5所示。

电弧电压由弧长决定，如果电弧过长会影响到电弧的稳定，也会导致焊缝过宽且熔深过浅；电弧如果过短则会导致焊缝过窄。过宽或过窄均会影响到焊缝质量，因此，弧长控制也是改善焊接质量的工艺因素之一。图6示意了电弧电压与焊缝控制的关系。

焊接速度要根据焊缝的熔透情况进行调整。焊接速度的快慢直接影响着焊接熔深和焊缝宽度。焊接速度过快会造成焊缝熔深浅，焊缝窄甚至会对焊缝的保护效果产生影响；焊接速度过慢会导致焊缝熔深过大，焊缝过宽，使焊缝成形质量变坏，TIG焊接时速度对焊缝成形的影响见图7所示。

此外，保护气体也是影响焊接质量的因素之一。保护气体流量会影响到气流状态，应尽可能实现层流保护。保护气体流量要适当，使焊接电弧燃烧稳定焊缝表面颜色光泽明亮为好。焊缝表面颜色随控制状态表现为银白色、金黄色、蓝色和黑色。其中黑色焊接质量最差。尽管TIG焊接法由于保护气体下焊接区金属不被氧化而使得焊缝质量比一般大气条件下焊接有明显的提高，但是TIG焊接速度低，焊接成形的热影响区（HAZ）变亮，此区域晶粒粗化而会导致不锈钢管二次冷加工成形的废品率增加。奥氏体不锈钢焊管可通过固溶热处理提高焊接区的韧性。铁素体不锈钢焊管焊接区（含HAZ）晶粒的长大，无法通过采用焊后热处理使晶粒细化，故TIG焊适用于管加工成形性能要求相对不高的焊管生产。总体而言，汽车排气系统中的焊管对加工性能要求相对不是很高时，考虑到投资及焊接技术等诸多方面因素，目前国内汽车用不锈钢焊管90%以上仍为钨极氩弧焊。由于钨极氩弧焊焊接速度慢，生产效率低，焊缝组织粗大（图8），焊接质量不高，与国外相比，我国汽车用不锈钢焊管总体质量水平差距还是非常明显。对于管加工成形性要求较高的零部件仍建议采用其他焊接方式。

高频电阻焊

高频电阻焊通常用HFW（HighFrequencyResistanceWelding）表示。高频焊接起源于20世纪50年代，它是利用高频电流（100～500kHz）所产生的集肤效应和相邻效应，将钢板和其他金属材料对接起来的新形焊接工艺。HFW最大优点是焊接速度快（最快可以达到120m/min），生产效率高。高频电阻焊通常有两种加热方式，一种是电阻加热方式，另一种是感应加热方式，如图9所示。高频电阻焊通过两个电极与管坯焊缝边缘接触，利用沿管坯对称边缘流动的高频电流将边缘加热到焊接温度，通过焊接挤压辊施加压力，并将焊缝边缘在塑性状态下焊合在一起。高频感应焊采用环形或缝隙式感应器焊接管坯。沿管坯圆周的感应电流在待焊边缘达到最大密集程度并使焊缝边缘加热到焊接温度，经焊缝挤压辊施加的挤压力作用使边缘在塑性状态下焊合。为增大高频焊接的热效率，一般会在管内放置一根磁棒。HFW对于未经酸洗的热轧带材也可以获得较好的焊接效果。一般用来焊接碳素钢、合金钢、有色金属等。目前，HFW焊接方式是国外主要的汽车排气系统用铁素体不锈钢焊管生产方式，在我国则处于刚刚起步阶段。

高频焊接方法对熔化的金属进行挤压时，会将熔化金属沿焊缝位置挤压出并在焊缝内外侧凝固形成焊接毛刺。生产过程中通过在焊缝内外两侧增加的去毛刺工具将焊接毛刺去除，以获得满足使用要求的焊接钢管。熔化金属挤压出后形成的焊缝组织较TIG焊接可以消除粗大的金相组织，有利于改善焊缝的加工性能。图10为高频感应焊接SUH409L铁素体不锈钢焊管焊缝金相组织。与TIG焊接相比，HFW焊接可以显著改善焊缝的金相组织，消除了焊接区域的粗大组织。不仅可以改善加工性能，同时也可以改善焊缝的抗腐蚀性能。图11为采用TIG及HFW焊接方法生产的SUH409L焊管的焊缝抗晶间腐蚀性能比较。同时，用于汽车排气系统HFW焊管需要进行后续的弯管及扩口加工等，需要消除其焊接毛刺。HFW焊缝通过内外毛刺刮刀消除毛刺时一定要避免刮刀刮削不当引起的内外焊道过量刮削导致的焊管质量损伤。

目前，国内使用HFW制管用于汽车排气系统用管的管企不多。基本上来源于日系的合资汽车厂协作零部件公司。其他HFW制管的企业中，宝钢宁波宝新的一条产能7500tHFW焊管线于2009年投产，是目前国内技术含量最高的HFW产线。HFW生产线，其焊接速度可达70～120m/min，是使用TIG焊接所能达到的最高速度的30倍左右，特别适用于大批量单一规格产品的生产。高频电阻焊与其他几种焊接方法相比，需要较大的电源功率，所用焊机的平均输出功率为150～450kW。高频电阻焊工艺生产汽车排气系统用不锈钢制管时需要注意的几个主要问题：（1）确保不锈钢焊管焊接装备的精度。焊接碳钢管时，焊接温度容限为150℃，可以允许焊接过程中的某些工艺波动。焊接不锈钢时，焊接温度容限则要小得多，必须严格控制工艺过程精度。首先制管机组的活动零部件必须有严格的公差要求，以保证整个机组的稳定性。任何振动将会影响焊点和V形角的稳定性，导致焊点相应的振动，产生冷焊或过热缺陷；其次，高频感应焊机性能也必须稳定，因为输出功率的任何波动将导致焊点产生类似的问题。（2）保证不锈钢钢带边缘的良好状态。带钢边缘要平整、光滑和具有尽量少的毛刺。生产过程中保证成形辊的清洁干净，以免污染钢带边缘，从而造成焊点的打火和喷溅，产生焊接缺陷。（3）不锈钢焊管在焊点处钢带对接边缘的平行十分关键，其目的在于使焊接区域最大可能地均匀加热。（4）奥氏体不锈钢是无磁材料，热导率低。感应圈的位置必须尽可能地接近焊点。有一个对任何不锈钢材料都有效的规则：挤压辊外径绝不应超过钢管外径的2．5倍。（5）挤压辊采用无磁材料制造，以减少能量损失。推荐使用无磁、高导热率、低电阻率的挤压辊材料。硬青铜是最佳选择之一。（6）焊接无磁材料时，要使感应线圈与管子间间隙尽量少。（7）为了能适应不同直径、壁厚和材料的不锈钢焊管制造，选择一套可变输出频率的焊机十分必要。可变频率之比为1～2时比较合适。

激光焊（LBW）

Laser一词来自LightAmplificationbyStimulatedEmissionRadiation的第一个字母所组成，是激发电子或分子使其在转换成能量的过程中产生集中且相位相同的光束。激光焊（LaserBeamWelding）的能源来自于激光设备。激光设备由光学震荡器及放在震荡器空穴两端镜间的介质所组成。介质受到激发至高能量状态时，开始产生同相位光波且在两端镜间来回反射，形成光电的串结效应，将光波放大，并获得足够能量而开始发射出激光。激光焊接工艺有焊接速度高、线能量低、焊件变形小、焊缝热影响区狭窄、焊接缺陷少等特点，从而能得到优质的焊缝。20世纪70年代，西欧国家及日本、美国、乌克兰等国家曾进行过激光焊接钢管的研究，所焊钢管的壁厚为1．0～3．5mm，焊接功率达5kW。80年代随着激光技术更为成熟，激光焊接各种钢管的工业性应用得到明显增加。日本开发了激光焊接法生产铁素体不锈钢管技术，该技术主要是通过调节落到钢管表面的激光束焦点直径来控制焊缝的宽度，并保证其具有很高的韧性和塑性。同时推出了能获得高质量焊缝的激光焊接规范。当采用激光焊接技术焊接钢管时，金属的熔化深度和几何形状与所焊金属的热物理性能、激光种类、激光功率、焊接速度、离焦量、气体保护方法和保护气体的成分都有关系。激光焊接钢管的工艺流程为：先将带钢制成管坯，再将管坯边部卷制出比激光束焦点直径还小的间隙值，如图12所示，激光束的焦点均匀地落在所焊管坯的边部上。

激光焊接速度与所焊管材的壁厚和激光功率的关系曲线示于图13。与传统的氩弧焊接相比，采用激光焊接技术生产钢管必须对管坯的边部及其焊边接合部进行精心处理。如在焊接壁厚为0．5～1．5mm的薄壁钢管时，除在焊接之前要对管坯边部进行铣边、脱脂、整边处理外，还要求焊边接合部符合以下条件：①焊接处的边部间隙值应不大于0．04～0．08mm；②管坯边部的偏移量不大于额定壁厚值的5%～10%；③被焊接管坯边部相邻端面的不平行度应保持在允许的间隙值范围内；④被焊接管坯边部表面的水平稳定度为±0．1mm（对透镜而言）和±0．3mm（对反射镜而言）；⑤焊接机的结构设计应考虑到焊接之后管坯缩径量要达0．05%～1．0%。这其中就对薄壁管焊接前的对接条件提出了较高的要求。在不锈带钢的连续成形中尽可能采用排辊成形方法，而不采用辊式成形。辊式成形是最早采用的成形方法，是通过几组机架上下轧辊孔形成形，这种成形法对普通尺寸的焊管是可行的，但对薄壁管成形由于变形激烈使带钢边部产生过大延伸易形成边部波浪形，这对焊接质量影响颇大。川崎制铁公司在粗成形机组采用排辊成形，在精成形机组采用CBR（Chance-freeBulgeRoll）法成形，由于排辊成形减轻边部延伸，使薄壁管成形稳定和变形均匀，其带钢端边不出现波浪形，从而保证质量。排辊成形和辊式成形薄带钢变形情况的比较如图14。