汽车铸铁排气歧管和不锈钢催化发生器罐的焊接

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汽车铸铁排气歧管和不锈钢催化发生器罐的焊接   汽车焊接工艺              
汽车排气系统中铸铁制排气歧管和不锈钢制催化发生器罐之间的焊接是目前我国汽车工业焊接领域的一个新课题。SMC国际超合金集团焊接产品公司发展了强度更大、塑性更好的填充金属——NI-ROD 44HT的新材料，可在不预热的情况下焊接Si-Mo球墨铸铁（珠光体的含量小于10%），使排气歧管的生产成本只相当于其他设计的20%～25%。
    一、采用铸铁来制作排气歧管的优势
    在到底使用碳钢还是用铸铁来制造排气歧管方面，福特公司曾在数年前就开始对二者在废气排放等方面的表现进行过一些调研，其调研结果反映在表1、表2、表3中。



    如果抛开铸铁的成本低于碳钢这一因素，单从采用铸铁制作的歧管在减少废气排放、提高催化剂效率方面的贡献，已经有理由使众多汽车制造商选择铸铁来制作排气歧管。

    图1所示为高度自动化的汽车排气歧管的焊接生产线。那么，为什么要把铸铁制作的排气歧管直接焊在催化剂的不锈钢外罐上呢？因为这种结构在设计上最节省空间，同时当催化器的外罐和排气歧管直接焊在一起后，催化器就很自然地置身一种利用排气余热，提高催化剂工作温度的环境之中。这在要求催化剂快速“点火”或在环境温度相对较低（如在严寒冬天）的情况下具有重要意义。因此这一类铸铁/不锈钢焊接在国外汽车工业中已逐渐成为一种经典作业。
    二、对制造歧管的铸铁的选材要求
    对铸铁而言，如果单从降低成本的角度考虑，灰口铸铁是一种可以接受的选择，但其缺点是高温抗氧化性能很差。随着新式引擎的工作温度越来越高，汽车制造业开始选择高温抗氧化性能较好的球墨铸铁来制作歧管。考虑到在焊接这类铸铁时在热影响区会产生脆性的渗碳体和裂纹敏感性高的马氏体时，我们应该考虑选择能够提供最高含量的铁素体和尽可能低含量的珠光体（要求不超过10%）的球墨铸铁，而符合以上要求的就是Si-Mo球墨铸铁，其成分如表4所示。

    对铸铁材料已进行了优选，那么，对不锈钢是否也有特殊的选材要求？
在选择不锈钢材料时，我们希望遵循以下原则：
    *具有较低的热膨胀系数（CTE）；
    *具有较好的抗热疲劳能力；
    *具有较好的抗氧化能力；
    *并可以耐受870℃以上的高温。
    而符合上述要求的不锈钢有两种：即409不锈钢和18Cr-Cb不锈钢。Cb的加入可以提供额外的强度以及增加微观结构的稳定性，这两种材料的化学成分如表5所示。

    由以上讨论可见，在焊接前母材的优选也十分重要。考虑到汽车生产的数量较大，相信每一个材料供应商都会对这些合理的选材要求做出积极的回应。
    三、焊接材料
    传统上这类铸铁/不锈钢的异种材料焊接采用哪一类焊接材料呢？我们曾经采用奥氏体和铁素体的不锈钢焊材来进行这一类异种金属的焊接。但是由于这类焊材不能承受铸铁中大量Fe和C的稀释作用，而不得不被放弃，取而代之的是SMC国际超合金集团焊接产品公司（以下简称“SMC焊接产品公司”）生产的牌号为NI-ROD 44的镍基合金焊材。NI-ROD 44由NI-ROD 55发展而来。二者相比较，NI-ROD 44为NI-ROD 55中11%的Ni被Mn所替代，替代的结果使得NI-ROD 44的强度更大、塑性更好、凝固温度更低，其化学成分如表6所示。

    那么，在引入镍基合金焊材后，它们在这一类异种金属焊接中的表现如何呢？在讨论这个问题之前，需要先了解当焊接铸铁时在热影响区（HAZ）中所发生的一些变化：
    （1） 在焊接铸铁时，由于碳粒的析出，热循环和氧化所产生综合作用的影响，会在热影响区熔合线上产生一种新的热裂纹，这种现象已经被定义为应力加速的氧化作用（SAO）。只要当温度提高到铸铁的熔化温度时，任何游离态的碳都会融入熔融的奥氏体以及未混合区。又由于焊接过程很短，加上焊后的迅速冷却，在熔池中就形成脆性的渗碳体和对裂纹十分敏感的马氏体。由此可见，问题的关键在于如何限制游离碳的数量。
    （2） 所谓的SAO不仅发生在焊接时，同时也发生在焊接后。这是由于成品排气歧管装配到汽车上以后，由于发动机的反复启动所产生的高温，使残留在焊缝中的马氏体回火，同时马氏体和渗碳体都会被熔解并产生第2次的碳粒析出。这些被析出的碳粒在热影响区中可以成形凝固并按一定的方向排列。2次碳析出的现象越严重，则出现SAO裂纹的机会也就越大。
    （3） 为了解NI-ROD 44在焊缝中的生存情况，我们将该焊缝样品在750℃的高温下放置100h（每20min为一周期，其中15min在炉内，其余5min在炉外），结果表明样品生存的情况良好。由于新型发动机的高效设计，它们的工作温度已可达到870℃，我们将上述样品在870℃的高温中放置100h，样品中的SAO裂纹沿HAZ的边界延伸并产生明显的热裂纹。这表示NI-ROD 44已经不能满足这样的高温要求。
    （4） 为解决镍基焊材在更高温度的环境中生存，SMC焊接产品公司发展了称为NI-ROD 44HT的新材料，这是一种强度更大、塑性更好的填充金属，它具有更低的凝固温度及更强的抗氧化能力。NI-ROD 44HT和44一样都含有11%的Mn，关键的是44HT中含有稳定碳化物的元素来阻止或减少焊接中的碳化过程。在焊接后，处于高温环境下的排气系统在焊缝热影响区中，减少二次碳化的产生。目前，在凯迪拉克2004年XLR型轿跑车排气系统的制造中就使用了新型镍基合金焊材NI-ROD 44HT，其化学成分如表7所示。

    NI-ROD 44HT限制游离态的方法主要是：使碳与球墨铸铁中铁基体的化合量最小，这样当熔化时，石墨球可能与焊缝金属混合，可是在焊缝熔化而未混合区域中的碳含量仍将维持低值，并且44HT中的Cb和Cb的碳化物作为碳的稳定元素，在球墨铸铁中吸收碳并存留下来，使得更少的碳能进入靠近Si-Mo球墨铸铁热影响区融合线的部位，同时，为提高碳在熔敷金属中的溶解性而保持进入焊缝金属的Ni含量较低，这样就使Si-Mo球墨铸铁在热影响区中呈化合态的碳有较少的聚集，因而降低2次石墨析出和形成这些沉淀物的趋势。填充金属中保持到适度的Ni含量不但保证了足够的强度和稳定性，同时也保证了与球墨铸铁相匹配的热膨胀系数。图2所示为NI-ROD 44HT和不同排气管材的热膨胀系数曲线。

    图3显示了Si-Mo球墨铸铁/ NI-ROD 44焊缝交界部分，此排气歧管直接和409不锈钢催化转换器外壳焊接在一起，暴露于870℃的空气中15min，然后在室温中迅速冷却，可以观察到的裂纹在焊趾位置沿球墨铸铁的热影响区扩展。

    图4显示了使用NI-ROD 44填充金属与NI-ROD 44HT填充金属焊接Si-Mo球墨铸铁的焊趾部位，它们暴露于870℃的空气中100h，每20min的循环包括15min在炉内，5min在空气中。NI-ROD 44HT在高温下汽车工业的测功试验表明，使用NI-ROD 44填充金属焊接的焊缝表面出现明显的氧化与开裂现象，NI-ROD 44HT填充金属形成的焊缝在热影响区附近没有裂纹。
    四、在异种金属焊接中应注意的问题：
    *焊缝外形为凸焊道
    总的来说，为避免沿角焊缝与下凹焊缝的中心线产生的热裂纹，不仅在使用NI-ROD 44HT时，在使用其他镍基焊接材料时，也必须注意在焊接时会形成一个凸起的焊道。
    *形状合理的焊趾
    形状合理的或表面凸起的焊趾对于减少对焊缝“清理与倒圆”及对于降低熔敷金属的局部稀释度（力争为最小）都是十分重要的。
    *充足的交迭
    焊缝的起始/结束处的交迭区域应尽量接近，距离约为12～19mm，同时在此处的熔敷金属应该平滑地熔化，以最大限度地降低产生弧坑裂纹的可能性。
    五、正确的焊接参数
    与其他由SMC焊接产品公司提供的填充金属相比，NI-ROD 44HT焊接时所选用的焊接参数不是一成不变的，此外，为保证焊缝质量必须重视控制焊缝的外形。
    保护气体：95% Ar+5%CO2；
    焊接方法：脉冲熔化极气体保护焊（P-MIG）；
    焊丝直径：1.2mm；
    焊接电流：250～350A；
    焊接电压（平均值）：24-27V DCRP（DCEP）；
    焊接速度：10～16mm/s；
    焊丝端部离工件的距离：16～19mm；
    浅熔深：最大稀释率不超过25%。
    *制造部分的应力处理
    在焊接装配中，注意为焊缝的热膨胀与收缩提供充足的空间，这将在最大限度内减小焊接区域中的动态应力。
    *焊接接头的设计
    合理的焊接接头设计，应该尽量接近焊缝根部以便控制稀释率，角焊缝应该是首选，同时要考虑有足够的搁置空间来防止焊趾延伸到铸件边缘之外。只要设计方法能保证自我约束和稀释率最优，可以考虑其他形式的焊接接头设计。图5所示即为采用NI-ROD44HT焊丝时，推荐的接头设计形式。
    六、总结
    在汽车排气系统的制造方面，已解决了一些与铸铁焊接有关的各种技术难题，特别是通过使用NI-ROD 44HT填充金属在不预热的情况下焊接Si-Mo球墨铸铁（珠光体的含量小于10%），使排气歧管的生产成本只相当于其他设计的20%～25%。排放数据表明：球墨铸铁歧管即使不能超过，至少在控制燃烧排放物方面与钢制歧管不相上下。由于这些突出的优势，NI-ROD 44HT在铸铁焊接中的应用将会继续得到增长。

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