汽车排气系统用铁素体不锈钢焊管焊缝开裂失效原因

罗红杰 俱伟涛 崔士乐

摘要：21世纪对汽车废气排放管理更加严格，且汽车零部件还要求轻量化，这就对汽车用材提出了更高的要求。据了解，目前汽车排气系统所用材料正在从铸铁和镀铝碳钢向铁素体不锈钢方向发展，但铁素体不锈钢焊管后续扩管过程中，常出现焊缝开裂失效现象。基于此，本文分析了汽车排气系统铁素体不锈钢管的焊接方法，并阐述了其焊接开裂失效原因，以供参考。

关键词：汽车;排气系统;铁素体不锈钢焊管;焊缝开裂

引言

近几年，我国汽车工业快速发展，汽车销量逐年增加，2019年，汽车产销分别达到2，572.1万辆和2，576.9万辆，如此空前的产量对汽车用钢提出了更高的需求，因此，不锈钢材料特别是高性能的铁素体不锈钢材料得到了广泛应用，当前世界各国采用的不锈钢比例达到15%～20%。但是排气系统用不锈钢焊管焊接过程中经常出现开裂问题，本文将对此进行深入分析。

1焊接方法

常见的铁素体不锈钢管的焊接方法主要包括三种：激光焊、等离子弧焊、高频焊，下文将做详细阐述。

1.1激光焊

激光焊是一种高效精密焊接方法，其利用能量密度极高的激光束作为热源。相比于传统焊接方法，其具有更明显的优点：能量密度高，加热速度快，热输入小，热影响区窄，焊接应力和变形小，且I形坡口对接焊不需填充材料，即可以节约成本[1]。采用激光焊接铁素体不锈钢管可以满足汽车排气管焊后所有冷加工工艺的要求，且废品率低于1%。

1.2等离子弧焊

等离子弧焊方法主要是借助于水冷喷嘴对电弧的拘束作用，从而获得较高能量密度的等离子弧，从而完成焊接。等离子弧焊接用的保护气体是Ar2，与钨极氩弧焊相比，电弧能量集中且温度高，焊接速度快，热影响区窄，焊接变形小，并且由于钨极缩于喷嘴内，钨极对焊缝的污染比较小[2]。

1.3高频焊

高频焊是利用流经焊件连接面的高频电流（10-500kHz）所产生的电阻热作为热源，使焊件待焊区表层被加热到熔化或塑性状态，同时通过施加（或不加）顶锻力，使焊件达到金属问结合的一种焊接方法。高频焊具有较大的电源功率，焊接速度高，比氩弧焊的最高焊接速度高出十倍以上，且热影响区小、焊接变形小、焊前无需清理，应用较广泛[3-4]。

2焊缝开裂失效原因分析

铁素体不锈钢汽车排气管一般采用焊管型式，但是在实际的焊接过程中，焊接冷却成形之后，焊管常出现焊缝开裂，导致产品失效、报废。

现截取焊缝开裂部位的焊管作为试验材料样品（图1），同时取一根扩管未产生焊缝开裂失效的焊管，将出现开裂的焊管中未产生扩管变形部位与未出现开裂的焊管中未产生扩管变形部位，各截取一段焊接接头，通过金相进行焊接接头横截面显微观察。

宏观金相观察照片见图2所示，上方为未发生开裂现象焊管的焊接接头横截面金相，下方为发生开裂现象焊管的焊接接头横截面金相。通过宏观金相可看出板材厚度约1.12mm，未发生开裂的焊管内表面焊缝与母材过渡平缓、厚度均匀。而产生开裂的焊管内表面焊缝 与一边的母材交界处焊趾部位存在较为尖锐的角度，从而在此处会引起较为严重的应力集中。这主要是由于焊管制造过程中焊缝对中不够准确，存在较大的错边量引起的。因而在焊管外表面焊缝余高被刮削平后，焊趾部位的管壁厚度也会大幅度减薄，经测量约为0.92mm，分析认为，一方面因应力集中作用; 另一方面焊趾管壁大幅度减薄导致后续扩管工序很容易出现开裂现象。

进一步对无裂纹和有裂纹的焊管进行维氏硬度测试，维氏硬度用符号HV表示，HV前面是硬度值，后面的数据表示试验条件，本次进行了两组实验，结果见图3。第一组硬度测试结果为：有裂纹管的硬度为132.5HV10，无裂纹管硬度为136.1HV10，第二组硬度测试结果为：有裂纹管的硬度为149.2HV10，无裂纹管硬度为151.1HV10，结果表明两者硬度相当，没有显著差异，这表明金属材料在不同的化学成分、组织结构和热处理工艺条件下性能没有差异。由此推断对于焊管扩管开裂影响的主要因素是制管成形部分，因此必须保证焊接坡口对中准确，尽可能降低错边量，从而保证优良的焊接接头力学性能。

结合实验综合分析可得出如下结论：引起汽车排气系统用铁素体不锈钢焊管后续冷成形加工焊缝开裂的主要因素是焊管产线制管成形部分焊接坡口错边量过大，造成焊后焊缝焊趾处应力集中过大，且在焊管外表面焊缝余高刮削平后，焊趾部位管壁减薄严重，最终使得后续冷成形扩管时很容易成为开裂源而开裂失效。

所以，在生产不锈钢焊管的过程中会对产品严格把控，每小时都会进行一次扩口试验，必须保证焊接坡口对中准确，尽可能降低错边量，从而保证优良的焊接接头力学性能。

结束语

综上所述，为了避免不锈钢焊管开裂，加工过程中必须保证焊接坡口对中准确、降低错边量，才能避免产品失效，降低报废率。

参考文献

[1]畢洪运，潘国强，李鑫.宝钢汽车排气系统用铁素体不锈钢产品开发[J].宝钢技术，2011（2）：6-11.

[2]董志刚，陈海涛，郎宇平，etal.铌、钛对汽车排气系统热端用铁素体不锈钢高温力学性能的影响[J].钢铁，2013，48（2）：64-68.

[3]王银凤，石平.铁素体不锈钢在排气系统冷凝液中的腐蚀特性研究[J].热加工工艺，2019（16）：37-40.

[4]陈聪聪，刘星，李谋成.烟尘对汽车排气系统用不锈钢冷凝液腐蚀行为的影响[C]//2016年全国腐蚀电化学及测试方法学术交流会.2016.