优化汽车铸铁排气系统的特种焊接材料NI-ROD4

摘要：在现代汽车排气系统制造过程中，焊接是一个关键的生产过程。目前汽车工业生产趋势是将不锈钢制的催化转换器外壳和球墨铸铁排气歧管直接焊接在一起。由於奥氏体和铁素体不锈钢焊接耗材不能承受铸铁中大量铁和碳的稀释作用，因此焊接耗材的选择範围变得很小。

在现代汽车排气系统制造过程中，焊接是一个关键的生产过程。目前汽车工业生产趋势是将不锈钢制的催化转换器外壳和球墨铸铁排气歧管直接焊接在一起。由於奥氏体和铁素体不锈钢焊接耗材不能承受铸铁中大量铁和碳的稀释作用，因此焊接耗材的选择範围变得很小。

SMC国际超合金集团焊接产品公司开发的NI-ROD 44填充金属是镍-铁-锰系的填充金属，它是第一种成功地应用於这类异种焊接的耗材，并且它的衍生产品NI-ROD 44HT可以适用於日益升高的发动机温度。同时，使用这一类镍基耗材不但使生产成本降低，并且在降低废气洩漏率和排放水平以及降低噪音方面都取得了新的进展，因此成为优化汽车铸铁排气系统制作的特种焊接材料。

排气系统用材料
硅-钼球墨铸铁排气歧管

过去制造排气歧管，灰口铸铁是一种可接受的材料。但是对於新型发动机来说，由於发动机的工作温度不断提高，而灰口铸铁在高温环境下的抗氧化能力又很差，所以必须选择更好的材料来制作排气歧管。

球墨铸铁曾被汽车制造业认为是另一种较适合的排气歧管材料，但当采用节省空间的设计和对催化剂"点火"速度有更高要求时，需要将催化转换器外壳直接焊到排气歧管上，这就要求对球墨铸铁的焊接规範标准进行修正。为了减少球墨铸铁焊後热影响区(HAZ)形成的马氏体和渗碳体，要求球墨铸铁含有尽量多的铁素体和尽可能少的珠光体(最多10%)。硅–钼球墨铸铁铁素体含量最多，特别在硅含量接近40%时，抗氧化能力很强，并且可以将铁素体向奥氏体转化的温度(A1温度)提高到超过发动机的工作温度，同时防止了焊接过程中材料发生经验相变及随之出现的"凝团衰减"现象而导致材料的有效性能降低。

最近福特发动机公司研究了不锈钢排气歧管和硅–钼球墨铸铁排气歧管的运行排放物特性，对比表明：硅–钼球墨铸铁排气歧管能提高燃料燃烧效率、降低噪音、易於加工成型并大大降低成本，因此，在过去的几年中硅–钼球墨铸铁焊接排气歧管得到了广泛的应用。

不锈钢催化转换器和排气管道

由於有相对低的热膨胀系数(CTE)，400系列不锈钢具有不错的抗热疲劳能力。并且由於它们含有铬，因而具有较好的抗氧化能力，可以耐受高达870 ℃的高温。铌的加入提供了额外的强度和微结构的稳定性。因此，409和18铬-铌不锈钢是催化转换器外壳和排气管道可采用的两种钢种。这两种材料在用NI- ROD 44填充金属和NI- ROD 44HT填充金属焊接时，均具有良好的焊接性。

连接硅-钼球墨铸铁和不锈钢的焊接材料
低镍奥氏体和铁素体不锈钢焊接熔敷金属

含有丰富的铬，能够形成铬的高温碳化物；然而当长时间暴露於高温空气中时，太多的铬和不充足的镍对焊缝熔敷金属有不利作用。铁素体不锈钢焊丝通常不用来焊接如球墨铸铁这一类高碳金属材料。即使高碳铸铁的稀释作用很小，也足以形成裂纹敏感性很高的马氏体焊缝熔敷金属。奥氏体不锈钢焊丝难以焊接热胀系数比其高30%到35%的材料，所以它也不适於硅–钼球墨铸铁排气歧管和铁素体不锈钢的催化转换器外壳之间焊接。如果使用这些不锈钢焊丝，热膨胀系数不匹配将增大球墨铸铁一侧热影响区的应力，进而加速热疲劳断裂的产生。

NI-ROD 44填充金属

NI-ROD 44填充金属是通过用锰来替代传统的NI-ROD 55填充金属中11%的镍，产生了强度更大、塑性更好的焊接填充金属，共具有更低的凝固温度。直到十九世纪90年代，NI- ROD 44填充金属一直是西欧和北美等国家汽车排气装置生产时，铸铁和不锈钢之间焊接所选择的焊接耗材。

但是，现代汽车为提高燃料燃烧效率而提高了发动机工作温度，结果使得排气歧管的温度超过了750℃，并产生了一种新的热影响区开裂方式。由於密集网状二次石墨沉淀、氧化环境以及热循环导致的循环应力的综合作用，这种裂纹出现在沿着热影响区的熔合线上。这种现象已经被定义为应力加速的氧化作用(SAO)。当排气歧管装配到汽车发动机上，随着重复的发动机操作，马氏体将被回火而且马氏体和渗碳体都会被溶解并重新作为二次石墨沉淀出来。二次石墨愈多产生SAO裂纹的可能性愈高。

汽车的测功试验也表明，在低於750°C时，NI-ROD 44填充金属的使用性能很好。但在超过大约750°C时，NI-ROD 44填充金属会受到在硅－钼球墨铸铁热影响区附近排列有序的二次石墨沉淀物所形成的SAO，使产生裂纹的可能性提高。

NI-ROD 44HT

随着发动机废气温度的增加，以及需要更高的抗氧化能力，SMC公司又设计了编号为NI-ROD 44HT的新型填充金属。它不仅保持了11%锰的优点，还含有一种碳化物稳定元素以阻止焊接过程中的石墨化。同时为提高碳在熔敷金属中的溶解性，在此填充金属中设置了最低镍含量。碳化物和较低的整体镍含量使得硅-钼球墨铸铁热影响区中化和态的碳聚集总量减少，这就降低二次石墨及这些沉淀物的形成趋势，大量降低了SAO。且填充金属中适中的镍含量提供了足够的强度和稳定性，并且有与球墨铸铁匹配的较好的热膨胀系数。

如何生产优质的焊件

在设计这些异种材料连接过程时，有两个非常重要的事项必须予以考虑，一是要选择适合於焊接的球墨铸铁和焊接材料；二是要仔细设计和执行焊接程序。

选择适合於焊接的球墨铸铁及焊材

最好的硅－钼球墨铸铁基体含有最多的铁素体，这样就可以减少铸铁焊缝热影响区生成马氏体与渗碳体数量。要求以铁素体为主要成份的硅-钼球墨铸铁中的珠光体含量最小(10%)是十分必要的，如此将保持硅-钼球墨铸铁的热影响区在焊接与使用过程中石墨的合理分布。
至於选用NI-ROD 44或NI-ROD 44HT作为这一类焊接的焊材，前文已有详细的说明。

合理的接口设计及焊接程序

* 焊接接头的设计—焊接接头的合理设计，应该更容易接近焊缝根部和更容易控制稀释率。角焊缝是首选的。要有足够的搁板空间来防止焊趾延伸到铸件边缘之外。只要设计方法能使自我约束最小和稀释率最优，其它形式的焊接接头的设计也是可以接受的。

* 凸焊道—为防止沿角焊缝与下凹焊缝中心线产生的热裂纹，不仅在使用NI-ROD(r)44HT时，在使用其它镍基焊接材料时也一样，凸起形状的熔敷金属是十分必要的。

* 形状合理的焊趾—形状合理的或表面凸起的焊趾对於减少对焊缝“清理与倒圆” ，降低熔敷金属局部稀释程度都是非常重要的。

* 充足的交迭—熔敷金属的起始/结束处的交迭区域应该接近12～19mm，同时在此处的熔敷金属应该平滑的熔化，以最大限度地降低弧坑裂纹的产生。

* 正确的焊接参数—控制熔敷金属的外形对於保证焊缝质量来说是至关重要的。NI-ROD(r)44HT焊接时所选用的焊接参数应控制如下：

保护气体：95%Ar＋5%CO2
焊接方法：脉冲熔化极气体保护焊（P-GMAW）
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/sec
焊丝端部离工件的距离：16～19mm

其它制造部分的应力处理

合理的延缓/支持焊接装配与为无约束的热膨胀与收缩提供充足的空间是非常重要的，这将最大程度的减小在使用过程中焊接区域的动态应力。

总结

汽车工业已经解决了一些与铸铁焊接相关联的问题，同时得到了可观的回报。当在不预热的情况下使用NI-ROD(r)44HT填充金属焊接珠光体的含量小於10%的硅-钼球墨铸铁时，其生产成本只相当於其它设计方式的20%～25%。并且排放数据表明：球墨铸铁歧管至少在控制燃烧排放物方面与钢制歧管相当。由於这些突出的优势，NI-ROD(r)44HT填充金属在焊接硅-钼球墨铸铁排气歧管方面的应用无疑会继续快速的增长。
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