排气系统用铁素体不锈钢焊管的钨极氩弧焊接

对汽车排气用铁素体不锈钢409L的钨极氩弧焊出现缺陷，采用光学显微镜结合电子探针对缺陷处进行分析，得出焊接过程中焊缝产生气孔以及夹渣等缺陷是造成焊缝出现纵向裂纹的主要原因，提出采用降低焊缝热输入及和焊接速度将在一定程度上提高焊缝金属的成型性能。

随着全球环境问题的日益严重，汽车废气排放的规定也日益严格。为了更好的满足尾气排放要求，汽车制造企业必须使用具有更佳耐蚀性和耐热性的材料制造排气系统部件。因此，采用不锈钢代替传统的铸件和镀铝钢板已经被越来越多的汽车厂商认同，而由于铁素体不锈钢具有热膨胀系数小、良好的耐高温氧化性能及性价比，得到越来越广泛的应用。在汽车排气管制造过程中，钨极氩弧焊（GTAW）是广泛使用的方法之一，本文针对汽车排气系统广泛使用的铁素体不锈钢409L在焊管制造过程中出现的问题进行分析，并在此基础上，提出相应的解决以及注意措施，以提高材料的成材率。

1试验材料

采用宝钢生产的2.0mm铁素体不锈钢409L冷轧板生产尾气焊管，在进行焊管扩管成型以及弯曲成型时，沿焊接方向的焊缝处开裂出现小段的纵向裂纹，采用的不锈钢板材成分和性能见表1。从分析结果可以看出，焊管样品和板材的质保信息是一致的。

2试验方法

钨极氩弧焊（GTAW）是目前不锈钢焊管企业广泛使用的方法之一，在焊接过程中不需要添加焊接材料。采用"1"型对接、直流正接的方式使母材自熔而形成需要的焊接接头。焊接电流和焊接速度视被焊板材的厚度进行适当的调节。本文针对2mm厚的4091，板采用的焊接电流为140-160A，焊接速度为400-600mm/min.

3试验结果与分析

按照焊管正常位置（A区）、小量变形区域（B区）、裂纹区域（C区）进行金相组织分析，分析结果见图3.

其中图3中B.C两白圈标记处的放大见图4，可见在焊缝中心线处出现的缺陷内壁非常圆滑，是典型的焊缝气孔缺陷的特征。焊缝中气孔的产生和TIG焊接过程中气体流量以及周边空气流动速度两者相关，一般不锈钢焊管生产线均在厂房中进行，不会有太大的空气流动速度，因此一般不会发生流动空气造成保护气氛破坏而产生气孔。当TIG焊喷嘴中氩气流量不同时，会产生层流或者紊流，产生紊流的气体流量高于层流，但是就熔池保护效果而言，层流要优于紊流，因此当气流量发生波动而造成流动方式发生的变化是焊缝中产生气孔的原因之一。而在裂纹区域（C区），除了焊缝中心线的气孔缺陷外，同时出现内壁不是很光滑的缺陷（见图4中的右下部），利用电子探针对该处缺陷进行分析，结果见图5。

可见，该处夹杂物主要由Ca、Al、Ti.Cr、Mg等元素组成。这种夹杂物的主要组成成分Ca可能来源于不锈钢生产时采用的石灰（Cal）脱S，产生的母材夹杂物，在焊缝熔化该处，由于在较快的焊缝冷却速度下来不及浮出熔池而形成焊缝熔渣。

Ti也是409L不锈钢中的主加元素之一，在高温熔池过程下，当气体保护熔池不利时，高温熔池中的Ti元素极易和空气或者保护气氛中的O结合形成Ti的氧化物。综合分析显示，该处出现焊缝纵向裂纹主要是由于该处出现了气孔和夹渣缺陷，当该部位受到弯曲拉伸应力作用时，由于焊缝的韧性性能满足不了塑性变形需求而开裂。

铁素体不锈钢在焊接过程中最大的特点是焊接热影响区由于电弧热作用而急剧长大，这种长大不能通过任何焊后热处理的方式消除。因此，铁素体不锈钢焊接时应尽可能的减少焊接热输入，降低焊接接头热影响区晶粒长大的趋势。

在不添加焊接材料的铁素体不锈钢TIG时，同等热输入条件下的焊接速度对焊接接头韧性以及成型性能也会造成不同的影响。这与两种速度条件下焊缝的组织不同密切相关，造成不同焊接速度条件下焊缝金属组织不同形态的原因是熔池形状与焊缝金属凝固结晶条件的变化，熔池的结晶首先依托母材热影响半熔化晶粒，沿着散热最快温度梯度方向进行，当温度梯度下降越快，焊缝的枝晶形态越明显，因此表现在焊接速度较高条件下的熔池柱状晶形态越明显，同时熔池末端的细长区域也将加长，增加产生弧坑凝固裂纹的风险。

低速焊接时接头组织的方向性明显弱于高速焊，因此枝晶形态也将减弱，相应的焊缝金向性也会得到改善，具体表现在低速焊的平均杯凸值为10.9，而高速焊的杯凸值为7.2，但是虽然不添加焊丝的低速TIG焊具有很好的焊缝成型优势，但速度的降低必将带来生产效率的下降，因此，各生产厂家可以按照不同的部件位置需求，合理的安排焊接生产，以更好的体现产品的成材率和生产效率。

4结论

1）409L不锈钢焊管局部纵向裂纹的产生是由于焊接缺陷（气孔及夹渣）引起的。

2）铁素体不锈钢焊缝晶粒组织粗大从而造成焊缝韧塑性下降也是造成焊缝裂纹的因素必须选择合适的焊接工艺参数。

3）铁素体不锈钢TIG时采用较低的焊接速度将有利于提高焊缝组织的成型性能。