優化汽車鑄鐵排氣系統的特種焊接材料NI-ROD4
- 2016-03-22 11:36:00
- 作者：國際超合金集團焊接產品公司 原創
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SMC國際超合金集團焊接產品公司開發的NI-ROD 44填充金屬是鎳-鐵-錳系的填充金屬，它是第一種成功地應用於這類異種焊接的耗材，并且它的衍生產品NI-ROD 44HT可以適用於日益升高的發動機溫度。同時，使用這一類鎳基耗材不但使生產成本降低，并且在降低廢氣洩漏率和排放水平以及降低噪音方面都取得了新的進展，因此成為優化汽車鑄鐵排氣系統制作的特種焊接材料。
排氣系統用材料
硅-鉬球墨鑄鐵排氣歧管
過去制造排氣歧管，灰口鑄鐵是一種可接受的材料。但是對於新型發動機來說，由於發動機的工作溫度不斷提高，而灰口鑄鐵在高溫環境下的抗氧化能力又很差，所以必須選擇更好的材料來制作排氣歧管。
球墨鑄鐵曾被汽車制造業認為是另一種較適合的排氣歧管材料，但當采用節省空間的設計和對催化劑"點火"速度有更高要求時，需要將催化轉換器外殼直接焊到排氣歧管上，這就要求對球墨鑄鐵的焊接規範標準進行修正。為了減少球墨鑄鐵焊後熱影響區(HAZ)形成的馬氏體和滲碳體，要求球墨鑄鐵含有盡量多的鐵素體和盡可能少的珠光體(最多10%)。硅–鉬球墨鑄鐵鐵素體含量最多，特別在硅含量接近40%時，抗氧化能力很強，并且可以將鐵素體向奧氏體轉化的溫度(A1溫度)提高到超過發動機的工作溫度，同時防止了焊接過程中材料發生經驗相變及隨之出現的"凝團衰減"現象而導致材料的有效性能降低。
最近福特發動機公司研究了不銹鋼排氣歧管和硅–鉬球墨鑄鐵排氣歧管的運行排放物特性，對比表明：硅–鉬球墨鑄鐵排氣歧管能提高燃料燃燒效率、降低噪音、易於加工成型并大大降低成本，因此，在過去的幾年中硅–鉬球墨鑄鐵焊接排氣歧管得到了廣泛的應用。
不銹鋼催化轉換器和排氣管道
由於有相對低的熱膨脹系數(CTE)，400系列不銹鋼具有不錯的抗熱疲勞能力。并且由於它們含有鉻，因而具有較好的抗氧化能力，可以耐受高達870 ℃的高溫。鈮的加入提供了額外的強度和微結構的穩定性。因此，409和18鉻-鈮不銹鋼是催化轉換器外殼和排氣管道可采用的兩種鋼種。這兩種材料在用NI- ROD 44填充金屬和NI- ROD 44HT填充金屬焊接時，均具有良好的焊接性。
連接硅-鉬球墨鑄鐵和不銹鋼的焊接材料
低鎳奧氏體和鐵素體不銹鋼焊接熔敷金屬
含有豐富的鉻，能夠形成鉻的高溫碳化物；然而當長時間暴露於高溫空氣中時，太多的鉻和不充足的鎳對焊縫熔敷金屬有不利作用。鐵素體不銹鋼焊絲通常不用來焊接如球墨鑄鐵這一類高碳金屬材料。即使高碳鑄鐵的稀釋作用很小，也足以形成裂紋敏感性很高的馬氏體焊縫熔敷金屬。奧氏體不銹鋼焊絲難以焊接熱脹系數比其高30%到35%的材料，所以它也不適於硅–鉬球墨鑄鐵排氣歧管和鐵素體不銹鋼的催化轉換器外殼之間焊接。如果使用這些不銹鋼焊絲，熱膨脹系數不匹配將增大球墨鑄鐵一側熱影響區的應力，進而加速熱疲勞斷裂的產生。
NI-ROD 44填充金屬
NI-ROD 44填充金屬是通過用錳來替代傳統的NI-ROD 55填充金屬中11%的鎳，產生了強度更大、塑性更好的焊接填充金屬，共具有更低的凝固溫度。直到十九世紀90年代，NI- ROD 44填充金屬一直是西歐和北美等國家汽車排氣裝置生產時，鑄鐵和不銹鋼之間焊接所選擇的焊接耗材。
但是，現代汽車為提高燃料燃燒效率而提高了發動機工作溫度，結果使得排氣歧管的溫度超過了750℃，并產生了一種新的熱影響區開裂方式。由於密集網狀二次石墨沉淀、氧化環境以及熱循環導致的循環應力的綜合作用，這種裂紋出現在沿著熱影響區的熔合線上。這種現象已經被定義為應力加速的氧化作用(SAO)。當排氣歧管裝配到汽車發動機上，隨著重復的發動機操作，馬氏體將被回火而且馬氏體和滲碳體都會被溶解并重新作為二次石墨沉淀出來。二次石墨愈多產生SAO裂紋的可能性愈高。
汽車的測功試驗也表明，在低於750°C時，NI-ROD 44填充金屬的使用性能很好。但在超過大約750°C時，NI-ROD 44填充金屬會受到在硅－鉬球墨鑄鐵熱影響區附近排列有序的二次石墨沉淀物所形成的SAO，使產生裂紋的可能性提高。
NI-ROD 44HT
隨著發動機廢氣溫度的增加，以及需要更高的抗氧化能力，SMC公司又設計了編號為NI-ROD 44HT的新型填充金屬。它不僅保持了11%錳的優點，還含有一種碳化物穩定元素以阻止焊接過程中的石墨化。同時為提高碳在熔敷金屬中的溶解性，在此填充金屬中設置了最低鎳含量。碳化物和較低的整體鎳含量使得硅-鉬球墨鑄鐵熱影響區中化和態的碳聚集總量減少，這就降低二次石墨及這些沉淀物的形成趨勢，大量降低了SAO。且填充金屬中適中的鎳含量提供了足夠的強度和穩定性，并且有與球墨鑄鐵匹配的較好的熱膨脹系數。
如何生產優質的焊件
在設計這些異種材料連接過程時，有兩個非常重要的事項必須予以考慮，一是要選擇適合於焊接的球墨鑄鐵和焊接材料；二是要仔細設計和執行焊接程序。
選擇適合於焊接的球墨鑄鐵及焊材
最好的硅－鉬球墨鑄鐵基體含有最多的鐵素體，這樣就可以減少鑄鐵焊縫熱影響區生成馬氏體與滲碳體數量。要求以鐵素體為主要成份的硅-鉬球墨鑄鐵中的珠光體含量最小(10%)是十分必要的，如此將保持硅-鉬球墨鑄鐵的熱影響區在焊接與使用過程中石墨的合理分布。
至於選用NI-ROD 44或NI-ROD 44HT作為這一類焊接的焊材，前文已有詳細的說明。
合理的接口設計及焊接程序
* 焊接接頭的設計—焊接接頭的合理設計，應該更容易接近焊縫根部和更容易控制稀釋率。角焊縫是首選的。要有足夠的擱板空間來防止焊趾延伸到鑄件邊緣之外。只要設計方法能使自我約束最小和稀釋率最優，其它形式的焊接接頭的設計也是可以接受的。
* 凸焊道—為防止沿角焊縫與下凹焊縫中心線產生的熱裂紋，不僅在使用NI-ROD(r)44HT時，在使用其它鎳基焊接材料時也一樣，凸起形狀的熔敷金屬是十分必要的。
* 形狀合理的焊趾—形狀合理的或表面凸起的焊趾對於減少對焊縫“清理與倒圓” ，降低熔敷金屬局部稀釋程度都是非常重要的。
* 充足的交迭—熔敷金屬的起始/結束處的交迭區域應該接近12～19mm，同時在此處的熔敷金屬應該平滑的熔化，以最大限度地降低弧坑裂紋的產生。
* 正確的焊接參數—控制熔敷金屬的外形對於保證焊縫質量來說是至關重要的。NI-ROD(r)44HT焊接時所選用的焊接參數應控制如下：
保護氣體：95%Ar＋5%CO2
焊接方法：脈沖熔化極氣體保護焊（P-GMAW）
焊絲直徑：1.2mm
焊接電流：250～350A
焊接電壓（平均值）：24～27V DCRP(DCEP)
焊接速度：10～16mm/sec
焊絲端部離工件的距離：16～19mm
其它制造部分的應力處理
合理的延緩/支持焊接裝配與為無約束的熱膨脹與收縮提供充足的空間是非常重要的，這將最大程度的減小在使用過程中焊接區域的動態應力。
總結
汽車工業已經解決了一些與鑄鐵焊接相關聯的問題，同時得到了可觀的回報。當在不預熱的情況下使用NI-ROD(r)44HT填充金屬焊接珠光體的含量小於10%的硅-鉬球墨鑄鐵時，其生產成本只相當於其它設計方式的20%～25%。并且排放數據表明：球墨鑄鐵歧管至少在控制燃燒排放物方面與鋼制歧管相當。由於這些突出的優勢，NI-ROD(r)44HT填充金屬在焊接硅-鉬球墨鑄鐵排氣歧管方面的應用無疑會繼續快速的增長。
(end)
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