超纯铁素体SUS444不锈钢焊管机组生产工艺研究

为降低不锈钢焊管生产成本，设计研发了采用TIG焊生产工艺流程的超纯铁素体SUS444不锈钢焊管生产机组，成功焊接生产SUS444不锈钢焊管产品（φ17 mm×0.8 mm），管件横向显微组织为均匀细小的等轴状铁素体，热影响区为粗大的等轴状铁素体，焊缝区为粗大的条块状铁素体，焊缝与母材结合良好，所生产SUS444不锈钢焊管满足EGR冷却器构件制品的需要。

目前能够使汽车NO x排放得到有效减少，从而达到国家排放法规的要求的措施就是冷却EGR技术，避免了汽车尾气严重污染生活环境，受到发动机和汽车生产厂家的青睐。EGR冷却器中的螺旋管、扁管等结构件，目前较多采用奥氏体不锈钢焊接圆管进行加工。超纯铁素体不锈钢SUS444（00Cr18Mo2）由于不含镍，能显著的降低成本，在许多苛刻的工况下能够替代奥氏体不锈钢，并且导热系数高、热膨胀系数小，非常适合在热涨、冷缩，有热循环的条件下使用。因此，设计研发了超纯铁素体SUS444不锈钢焊管生产机组，用于EGR冷却器中的不锈钢结构件的生产。

1.SUS444的焊接性分析

超纯铁素体不锈钢SUS444（00Cr18Mo2）是一种超低碳氮、含18%铬与2%钼、高耐蚀的铁素体不锈钢。该钢种采用铌或钛进行稳定化，可以避免焊接后的晶间腐蚀。SUS444铁素体不锈钢材料标准化学成分见表1，机械性能见表2。

为减少奥氏体、马氏体的形成，实现全铁素体组织，在超纯铁素体不锈钢SUS444的生产中必须降低C、N含量。众所周知，与C、N的析出物为Nb（C、N），因此加入Nb元素进行稳定化。此外，在超低的C、N含量下，SUS444又具有较高的Cr、Mo含量，保证了其焊后的焊缝组织为全铁素体组织。超纯铁素体不锈钢SUS444的在焊接时具有以下优点：

（1）Nb结合C形成的析出物作为晶界上的硬质点，其钉扎作用[5]能够阻止晶粒的长大，最理想的情况是可以作为形核质点，从而使焊缝中心线位置产生等轴晶，这种晶粒细化的作用，不但能够提高焊缝的韧性，同时可减少焊缝金属产生凝固裂纹的趋势。

（2）全铁素体组织防止了晶界贫铬的问题产生，使焊缝、热影响区的耐腐蚀性大大提高。

（3）对于热影响区来说，Nb元素与间隙元素形成析出物的钉扎作用，同样能够阻止热影响区的晶粒长大，进而降低晶界碳氮化合物、富铬碳化物的析出，能够大大减少高温脆性敏感程度，减小因焊接而使延性、韧性下降的趋势。

因此SUS444材质具备焊接的可行性、可靠性，可以应用到实际焊管生产中。

2生产工艺流程

设计研发的工业用不锈钢精密焊管机组采用组合式轧辊装置，能够实现不同规格的焊管生产，同时采用高精度直线轴承，焊管精度能够控制在±0.2 mm。

2.1开卷

开卷机（如图2）通过涨紧钢卷内孔支撑钢卷，在中心控制（CPC）下实现带钢的自动对中，然后在直头机的配合作用下，通过旋转将钢带头部送入矫平机。在开卷机阻力作用下，钢带通过成型机动力牵引，保持稳定张力，匀速前进。

2.2成型

成型工序采用辊式成型机组（见图3）将钢带板通过成型模具轧辊辊轧成圆管形状，即“双半径综合成型”的方法（见图4），其成型分成带材边缘与中间部分分别成型。以待生产产品管的半径作为边缘的弯曲半径，钢带在成型模具轧辊的运动与挤压下，将带材边缘弯曲到特定的变形角度，在后面各成型架次中保持不变，见图4中的带材边缘部分。而带材中间部分的弯曲成型，则按照圆周弯曲法进行多次逐渐成型，见图4中带材的中间部分。

“双半径综合成型”的方法同时实现边缘弯曲和圆周弯曲，边缘相对伸长较小，从而在成型过程中变形均匀、过程稳定、质量好。

不锈钢焊管中常用的SUS304L与SUS316L钢带，其屈服强度均为175 N/mm 2，而SUS444的屈服强度为245 N/mm 2，远远大于前两者，因此，相对于SUS304L与SUS316L材质的成型，通过前面的与304、316物理性能对比，SUS444材料的屈服强度大、硬度高，钢带相对不易成型、而且反弹强，在强制闭合焊接后在熔融状态下反弹晶粒粗大，造成焊缝强度低。因此在轧辊设计充分考虑444材料的反弹量，增加补偿值，同时增加成型道次，采用9平8立成型道次（SUS304L与SUS316L钢带采用8平7立成型道次）。

2.3焊接

在EGR冷却器的制造中，不锈钢焊管焊接工艺质量的好坏直接影响着冷却器的使用性能和可靠性。焊缝、热影响区的耐腐蚀性能下降和韧性、延性下降是SUS444不锈钢焊管在焊接及使用中的两个主要问题。焊接机组如图5所示。

焊接机组部分采用钨极氩弧焊（TIG）进行焊接，为了制定合理的焊接工艺，通过完善焊接保护方式、调换钨极直径、调节气流量、控制热输入等进行不同的工艺试验，并观察焊缝形貌。

实践表明，焊接保护方式在SUS444不锈钢焊管生产中尤为重要，在工艺试验中，当采用良好的气体保护时，焊缝光亮与母材同色，当采用较好的气体保护时，焊缝的表面颜色为浅黄色或银白色，而当气体保护不当时，焊缝及热影响区表面呈现黑色或深蓝色，这是由于气体保护效果差，焊缝金属在焊接过程中的高温条件下，大量吸入C、N、O、H等元素。其中，焊缝吸入C、N会提高SUS444材料的原本超低的C、N含量优势；O元素与焊缝金属中的Cr反应，使焊缝表面富集二者的化合产物，从而使焊缝表面贫铬，表面的耐腐蚀性降低；而过的的H元素可能会导致氢脆现象。

通常，不锈钢焊管要求在连续焊接中必须保证焊缝光亮无氧化。因此为了达到良好的气体保护效果，焊接过程中采用联合气体保护的方式，即管坯在生产线上运动前进，焊接时的焊接部位内、外均处于良好的、完全的氩气保护氛围内，因此氩气保护采取极氩保护、外氩保护、內氩保护3种联合气体保护方式。联合气体保护能够极机械的将空气与金属熔池、电极隔离，保证正面焊缝成型，同时扩大保护范围以达到完全保护的目的，也能够对反面焊缝成型进行保护，这是一个非常重要保护程序和环节。

此外焊接速度和焊接电流相辅相成，在确保焊透的情况下，控制热输入量，尽可能采用小电流，也就是热输入要小（在高温下晶粒粗大），易产生高温脆化。钨极角度对焊缝熔深和熔宽有一定影响，减小锥角，焊缝熔深减小，熔宽增加，反之则熔深增加，熔宽减小。最终确用钨极角度30°，穿透力强、热影响区小、并且相对的耐烧蚀。采用斜焊机迎弧焊，起到焊接预热功能，使被焊材料处于韧性较好的状态和降低焊缝的应力。经过试验获得了合理的焊接工艺，经过各项检验，获得了满意的结果，焊接工艺参数见表3。

2.4焊后工序

在线涡流探伤如图6所示。利用交流电流产生的交变磁场作用在焊接完成的SUS444不锈钢焊管上，由于SUS444不锈钢焊管具有导电性，因此能够感应出电涡流，如果SUS444不锈钢焊管的焊缝中有缺陷，缺陷干扰所产生的电涡流，转化成干扰信号，而涡流探伤仪迅速检测出干扰信号，从而可检查焊管缺陷状况。将焊接好的焊管进行定径（见图7），将钢管管径精确定圆，并保持系统张力。不合格品标记采用气动打标机，接受涡流探伤仪的缺陷检测结果，对缺陷位置进行标记（见图8）。最后根据所设定的产品长度尺寸进行定尺切割（见图9）与分料工序。

3产品金相检验

对工业用不锈钢精密焊管机组生产的超纯铁素体SUS444不锈钢焊管进行金相检验。如图10~图12所示，管件的横向显微组织为均匀细小的等轴状铁素体，管件的母材与焊缝间的热影响区组织为粗大的等轴状铁素体。管件的横向母材组织的晶粒度级别为7~8级，热影响区的晶粒度别为4~5级。管件焊缝区的显微组织为粗大的条块状铁素体。焊缝与母材结合良好，未见任何焊接缺陷存在。样品管未见任何显微缺陷，满足EGR冷却器构件制品的需要。

4结论

采用超纯铁素体SUS444不锈钢焊管生产机组，成功焊接生产出用于EGR冷却器构件制品的SUS444不锈钢焊管产品（φ17 mm×0.8 mm），从而替代奥氏体不锈钢焊管，降低了生产成本，有力地推动了铁素体不锈钢在ERG产品中的广泛应用。