孫 楠

超純鐵素體不銹鋼SUS444焊管機(jī)組生產(chǎn)工藝研究

孫 楠

（錦州美聯(lián)橋汽車部件有限公司，遼寧 錦州 121000）

為降低不銹鋼焊管生產(chǎn)成本，設(shè)計(jì)研發(fā)了采用TIG焊生產(chǎn)工藝流程的超純鐵素體不銹鋼SUS444焊管生產(chǎn)機(jī)組，成功焊接生產(chǎn)SUS444焊管產(chǎn)品（17 mm×0.8 mm），管件橫向顯微組織為均勻細(xì)小的等軸狀鐵素體，熱影響區(qū)為粗大的等軸狀鐵素體，焊縫區(qū)為粗大的條塊狀鐵素體，焊縫與母材結(jié)合良好，所生產(chǎn)SUS444焊管滿足EGR冷卻器構(gòu)件制品的需要。

鐵素體不銹鋼；焊管；生產(chǎn)工藝

目前能夠使汽車NO排放得到有效減少，從而達(dá)到國家排放法規(guī)的要求的措施就是冷卻EGR 技術(shù)[1]，避免了汽車尾氣嚴(yán)重污染生活環(huán)境，受到發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車生產(chǎn)廠家的青睞。EGR冷卻器中的螺旋管、扁管等結(jié)構(gòu)件，目前較多采用奧氏體不銹鋼焊接圓管進(jìn)行加工。超純鐵素體不銹鋼SUS444（00Cr18Mo2）由于不含鎳，能顯著的降低成本，在許多苛刻的工況下能夠替代奧氏體不銹鋼，并且導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小，非常適合在熱漲、冷縮，有熱循環(huán)的條件下使用[2-4]。因此，設(shè)計(jì)研發(fā)了超純鐵素體不銹鋼SUS444焊管生產(chǎn)機(jī)組，用于EGR冷卻器中的不銹鋼結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)。

1 SUS444的焊接性分析

超純鐵素體不銹鋼SUS444（00Cr18Mo2）是一種超低碳氮、含18%鉻與2%鉬、高耐蝕的鐵素體不銹鋼。該鋼種采用鈮或鈦進(jìn)行穩(wěn)定化，可以避免焊接后的晶間腐蝕。SUS444鐵素體不銹鋼材料標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分見表1，機(jī)械性能見表2。

為減少奧氏體、馬氏體的形成，實(shí)現(xiàn)全鐵素體組織，在超純鐵素體不銹鋼SUS444的生產(chǎn)中必須降低C、N含量。眾所周知，與C、N的析出物為Nb（C、N），因此加入Nb元素進(jìn)行穩(wěn)定化。此外，在超低的C、N含量下，SUS444又具有較高的Cr、Mo含量，保證了其焊后的焊縫組織為全鐵素體組織。超純鐵素體不銹鋼SUS444的在焊接時(shí)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）Nb結(jié)合C形成的析出物作為晶界上的硬質(zhì)點(diǎn)，其釘扎作用[5]能夠阻止晶粒的長大，最理想的情況是可以作為形核質(zhì)點(diǎn)，從而使焊縫中心線位置產(chǎn)生等軸晶，這種晶粒細(xì)化的作用，不但能夠提高焊縫的韌性，同時(shí)可減少焊縫金屬產(chǎn)生凝固裂紋的趨勢。

（2）全鐵素體組織防止了晶界貧鉻的問題產(chǎn)生，使焊縫、熱影響區(qū)的耐腐蝕性大大提高。

（3）對(duì)于熱影響區(qū)來說，Nb元素與間隙元素形成析出物的釘扎作用，同樣能夠阻止熱影響區(qū)的晶粒長大，進(jìn)而降低晶界碳氮化合物、富鉻碳化物的析出，能夠大大減少高溫脆性敏感程度，減小因焊接而使延性、韌性下降的趨勢。

因此SUS444材質(zhì)具備焊接的可行性、可靠性，可以應(yīng)用到實(shí)際焊管生產(chǎn)中。

表1 SUS444的化學(xué)成分 %

元素CSiMnSPNiCrMoN其他 含量≤0.025≤1.00≤1.00≤0.030≤0.035—17.00～20.001.75～2.50≤0.025Ti+Nb+Zr≤0.8

表2 SUS444的機(jī)械性能

Rm/MPaRel/MPaδ/％HV0.1 HV≥410≥245≥20≤230

2 生產(chǎn)工藝流程

設(shè)計(jì)研發(fā)的工業(yè)用不銹鋼精密焊管機(jī)組采用組合式軋輥裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)不同規(guī)格的焊管生產(chǎn)，同時(shí)采用高精度直線軸承，焊管精度能夠控制在±0.2 mm。

工業(yè)用不銹鋼精密焊管機(jī)組的生產(chǎn)流程如圖1所示。

圖1 不銹鋼精密焊管機(jī)組生產(chǎn)流程

2.1 開卷

開卷機(jī)（如圖2）通過漲緊鋼卷內(nèi)孔支撐鋼卷，在中心控制（CPC）下實(shí)現(xiàn)帶鋼的自動(dòng)對(duì)中，然后在直頭機(jī)的配合作用下，通過旋轉(zhuǎn)將鋼帶頭部送入矯平機(jī)。在開卷機(jī)阻力作用下，鋼帶通過成型機(jī)動(dòng)力牽引，保持穩(wěn)定張力，勻速前進(jìn)。

圖2 開卷機(jī)

2.2 成型

成型工序采用輥式成型機(jī)組（見圖3）將鋼帶板通過成型模具軋輥輥軋成圓管形狀，即“雙半徑綜合成型”的方法（見圖4），其成型分成帶材邊緣與中間部分分別成型。以待生產(chǎn)產(chǎn)品管的半徑作為邊緣的彎曲半徑，鋼帶在成型模具軋輥的運(yùn)動(dòng)與擠壓下，將帶材邊緣彎曲到特定的變形角度，在后面各成型架次中保持不變，見圖4中的帶材邊緣部分。而帶材中間部分的彎曲成型，則按照?qǐng)A周彎曲法進(jìn)行多次逐漸成型，見圖4中帶材的中間部分。

圖3 輥式成型機(jī)組

“雙半徑綜合成型”的方法同時(shí)實(shí)現(xiàn)邊緣彎曲和圓周彎曲，邊緣相對(duì)伸長較小，從而在成型過程中變形均勻、過程穩(wěn)定、質(zhì)量好。

不銹鋼焊管中常用的SUS304L與SUS316L鋼帶，其屈服強(qiáng)度均為175 N/mm2，而SUS444的屈服強(qiáng)度為245 N/mm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前兩者，因此，相對(duì)于SUS304L與SUS316L材質(zhì)的成型，通過前面的與304、316物理性能對(duì)比，SUS444材料的屈服強(qiáng)度大、硬度高，鋼帶相對(duì)不易成型、而且反彈強(qiáng)，在強(qiáng)制閉合焊接后在熔融狀態(tài)下反彈晶粒粗大，造成焊縫強(qiáng)度低[6-7]。因此在軋輥設(shè)計(jì)充分考慮444材料的反彈量，增加補(bǔ)償值，同時(shí)增加成型道次，采用9平8立成型道次（SUS304L與SUS316L鋼帶采用8平7立成型道次）。

圖4 雙半徑綜合成型法

2.3 焊接

在EGR冷卻器的制造中，不銹鋼焊管焊接工藝質(zhì)量的好壞直接影響著冷卻器的使用性能和可靠性。焊縫、熱影響區(qū)的耐腐蝕性能下降和韌性、延性下降是SUS444焊管在焊接及使用中的兩個(gè)主要問題。焊接機(jī)組如圖5所示。

圖5 焊接機(jī)組

焊接機(jī)組部分采用鎢極氬弧焊（TIG）進(jìn)行焊接，為了制定合理的焊接工藝，通過完善焊接保護(hù)方式、調(diào)換鎢極直徑、調(diào)節(jié)氣流量、控制熱輸入等進(jìn)行不同的工藝試驗(yàn)，并觀察焊縫形貌。

實(shí)踐表明，焊接保護(hù)方式在SUS444焊管生產(chǎn)中尤為重要，在工藝試驗(yàn)中，當(dāng)采用良好的氣體保護(hù)時(shí)，焊縫光亮與母材同色，當(dāng)采用較好的氣體保護(hù)時(shí)，焊縫的表面顏色為淺黃色或銀白色，而當(dāng)氣體保護(hù)不當(dāng)時(shí)，焊縫及熱影響區(qū)表面呈現(xiàn)黑色或深藍(lán)色，這是由于氣體保護(hù)效果差，焊縫金屬在焊接過程中的高溫條件下，大量吸入C、N、O、H等元素。其中，焊縫吸入C、N會(huì)提高SUS444材料的原本超低的C、N含量優(yōu)勢；O元素與焊縫金屬中的Cr反應(yīng)，使焊縫表面富集二者的化合產(chǎn)物，從而使焊縫表面貧鉻，表面的耐腐蝕性降低；而過的的H元素可能會(huì)導(dǎo)致氫脆現(xiàn)象。

通常，不銹鋼焊管要求在連續(xù)焊接中必須保證焊縫光亮無氧化。因此為了達(dá)到良好的氣體保護(hù)效果，焊接過程中采用聯(lián)合氣體保護(hù)的方式，即管坯在生產(chǎn)線上運(yùn)動(dòng)前進(jìn)，焊接時(shí)的焊接部位內(nèi)、外均處于良好的、完全的氬氣保護(hù)氛圍內(nèi)，因此氬氣保護(hù)采取極氬保護(hù)、外氬保護(hù)、內(nèi)氬保護(hù)3種聯(lián)合氣體保護(hù)方式。聯(lián)合氣體保護(hù)能夠極機(jī)械的將空氣與金屬熔池、電極隔離，保證正面焊縫成型，同時(shí)擴(kuò)大保護(hù)范圍以達(dá)到完全保護(hù)的目的，也能夠?qū)Ψ疵婧缚p成型進(jìn)行保護(hù)，這是一個(gè)非常重要保護(hù)程序和環(huán)節(jié)。

此外焊接速度和焊接電流相輔相成，在確保焊透的情況下，控制熱輸入量，盡可能采用小電流，也就是熱輸入要?。ㄔ诟邷叵戮Я４执螅桩a(chǎn)生高溫脆化。鎢極角度對(duì)焊縫熔深和熔寬有一定影響，減小錐角，焊縫熔深減小，熔寬增加，反之則熔深增加，熔寬減小。最終確用鎢極角度30°，穿透力強(qiáng)、熱影響區(qū)小、并且相對(duì)的耐燒蝕。采用斜焊槍迎弧焊，起到焊接預(yù)熱功能，使被焊材料處于韌性較好的狀態(tài)和降低焊縫的應(yīng)力。經(jīng)過試驗(yàn)獲得了合理的焊接工藝，經(jīng)過各項(xiàng)檢驗(yàn)，獲得了滿意的結(jié)果，焊接工藝參數(shù)見表3。

表3 超純鐵素體不銹鋼SUS444的TIG焊工藝參數(shù)

產(chǎn)品規(guī)格φ17 mm×0.8 mm 焊接方式:TIG焊 保護(hù)氣體內(nèi)氬、極氬、外氬（純氬氣99.99%） 焊接氬氣流量內(nèi)氬：8±1 L/min; 極氬：10～12 L/min; 外氬：15～20 L/min 鎢極種類鑭鎢（金黃頭） 鎢極型號(hào)WL15 標(biāo)準(zhǔn)直徑φ2.4 mm 鎢極角度30° 鎢極伸出長度3～4 mm 鎢極距焊接位置高度1～1.5 mm 電流種類直流電流（DC） 焊接速度2 m/min 焊接電壓6～10 V 焊接電流110～120 A 焊接冷卻方式緩慢冷卻 焊槍角度10°～15°迎弧焊

2.4 焊后工序

在線渦流探傷如圖6所示。利用交流電流產(chǎn)生的交變磁場作用在焊接完成的SUS444焊管上，由于SUS444焊管具有導(dǎo)電性，因此能夠感應(yīng)出電渦流，如果SUS444焊管的焊縫中有缺陷，缺陷干擾所產(chǎn)生的電渦流，轉(zhuǎn)化成干擾信號(hào)，而渦流探傷儀迅速檢測出干擾信號(hào)，從而可檢查焊管缺陷狀況。將焊接好的焊管進(jìn)行定徑（見圖7），將鋼管管徑精確定圓，并保持系統(tǒng)張力。不合格品標(biāo)記采用氣動(dòng)打標(biāo)機(jī)，接受渦流探傷儀的缺陷檢測結(jié)果，對(duì)缺陷位置進(jìn)行標(biāo)記（見圖8）。最后根據(jù)所設(shè)定的產(chǎn)品長度尺寸進(jìn)行定尺切割（見圖9）與分料工序。

圖6 在線渦流探傷

圖7 定徑

圖8 不合格品標(biāo)記

圖9 定尺切割

3 產(chǎn)品金相檢驗(yàn)

對(duì)工業(yè)用不銹鋼精密焊管機(jī)組生產(chǎn)的超純鐵素體不銹鋼SUS444焊管進(jìn)行金相檢驗(yàn)。如圖10～圖12所示，管件的橫向顯微組織為均勻細(xì)小的等軸狀鐵素體，管件的母材與焊縫間的熱影響區(qū)組織為粗大的等軸狀鐵素體。管件的橫向母材組織的晶粒度級(jí)別為7～8級(jí)，熱影響區(qū)的晶粒度別為4～5級(jí)。管件焊縫區(qū)的顯微組織為粗大的條塊狀鐵素體。焊縫與母材結(jié)合良好，未見任何焊接缺陷存在。樣品管未見任何顯微缺陷，滿足EGR冷卻器構(gòu)件制品的需要[8-9]。

圖10 橫向組織

圖11 熱影響區(qū)

圖12 焊縫區(qū)

4 結(jié)論

采用超純鐵素體不銹鋼SUS444焊管生產(chǎn)機(jī)組，成功焊接生產(chǎn)出用于EGR冷卻器構(gòu)件制品的SUS444焊管產(chǎn)品（17 mm×0.8 mm），從而替代奧氏體不銹鋼焊管，降低了生產(chǎn)成本，有力地推動(dòng)了鐵素體不銹鋼在ERG產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用。

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Study on Production Process of Ultra Pure Ferritic Stainless Steel SUS444 Welded Pipe Mill

SUN Nan

（Jinzhou meilianqiao Auto Parts Co., Ltd, Jinzhou 121000, China）

In order to reduce the production cost of stainless steel welded pipe, an ultra pure ferritic stainless steel SUS444 welded pipe production unit was designed and developed for the production of stainless steel structural parts in EGR cooler. This paper introduces the production process of industrial stainless steel precision welded pipe unit. SUS444 welded pipe used for EGR cooler components is successfully produced by TIG welding（17 mm × 0.8 mm）. The transverse microstructure of the pipe is uniform and fine equiaxed ferrite, the heat affected zone is coarse equiaxed ferrite, and the weld area is coarse strip ferrite. The weld is well combined with the base metal, and no welding defects are found, which meets the needs of EGR cooler components.

ferritic stainless steel; welded pipe; production process

TG432

A

1674-3261(2021)04-0224-04

10.15916/j.issn1674-3261.2021.04.003

2021-05-05

孫楠(1982-)，男，遼寧錦州人，工程師。

責(zé)任編校：劉亞兵