SUH409L 铁素体不锈钢焊管焊缝开裂分析与预防措施

赵 晖

（山西太钢不锈钢股份有限公司冷轧厂， 山西 太原 030003）

SUH409L 铁素体不锈钢与碳钢相比具有优异的耐蚀性和抗高温氧化性，此外还具有优好的成型性和焊接性能，且价格低廉，满足于汽车多个排气系统部件制造的技术要求[1-2]。汽车排气管部件加工工艺以焊管的弯管、扩径以及旋压变径等工艺为主，本文针对SUH409L 铁素体不锈钢冷板在焊管后旋压过程出现的开裂问题进行了分析，并在此基础上提出相应的解决措施。

1 旋压焊管失效情况

旋压焊管采用厚1.2 mm 规格SUH409L 冷轧退火板进行焊管制作，先将板材分条，在连续焊管生产线上使用不填丝钨极氩弧焊进行焊接，焊接电流范围80～120 A，焊接速度为0.8～1.0 m/min，制成为Φ120 mm×400 mm 的管件，管件进行旋压成型时，在垂直于焊缝方向焊缝处出现横向开裂，部分裂口撕裂其横向母材；其裂纹起源于焊缝区域，详见图1。

图1 SUH409L 旋压成型时焊缝产生的裂纹

SUH409L 焊管旋压失效材料的成分及性能见表1。从分析结果可以看出，焊管样品能满足标准要求。

表1 不锈钢板材的主要化学成分和性能

2 失效分析

首先对1.2 mm 厚的SUH409L 旋压成型时材料的厚度变化进行了分析，其次在焊接钢管沿焊缝开裂部位截取试样，进行扫描电子显微镜的断口形貌观察，以确定其断裂机理；然后制取缺陷试样未变形焊接部位材料截面金相试样，使用金相显微镜观察其组织。

2.1 管件壁厚变形分析

测量工作以图1 绿色标记缺陷下端为起始位置，使用千分尺测量了焊接部位以及左侧母材厚度变化，如下页图2 所示。在旋压成形过程中，焊缝存在三项应力作用，其中两项为延焊缝和垂直焊缝的拉应力，另一项为压应力，在三项应力的作用下发生旋压成形[3，4]。

从下页图2 可见，缺陷部分壁厚为整个强力旋压加工后最薄弱部位，且焊缝区域与母材厚度减薄差异最大区域，从旋压过程中母材及焊缝厚度的变化可以看出，母材厚度方向的延伸性优于焊缝厚度方向的延伸性，间接证明了母材的塑性优于焊缝。

2.2 断口形貌电镜分析

利用扫描电子显微镜对开裂试样的焊缝断口进行形貌观察见下页图3。由焊缝断口可见焊缝在弯曲拉力下，裂纹沿不同的解理面扩展，即沿着相互平行的许多平面裂开，并在不同解理面间形成不同的梯度或塑性变形脊线，形成类似“河流花样”的断口形貌，故认为其为脆性断口。在焊缝断口解理面上未发现夹杂物源，其成分为基体成分。

图2 旋压加工后壁厚变化

图3 断口微观形貌

2.3 显微组织金相分析

SUH409L 旋压成型前焊管存在加工缺陷材料进行显微组织见图4。从图4 可见，焊缝区域组织晶粒粗化严重，无法评级，而母材区组织母材晶粒大小不均，晶粒度评级7-6 级，存在混晶现象，在靠近焊缝位置的母材（热影响区）晶粒略有长大且不均匀，焊缝处晶粒同样长大严重，且焊缝熔合线不清晰。材料内混晶现象的发生，将导致其性能不均性增加，影响材料的后续加工性。

图4 409L 焊管显微组织图（×100）

2.4 开裂原因分析

SUH409L 铁素体不锈钢由室温到高温均为单一的铁素体，无法通过相变来细化组织。在加热时铁素体不锈钢有强烈的晶粒长大倾向，大约在600 ℃时晶粒就开始长大，温度越高晶粒长大的趋势越强烈，致使室温时的塑性和韧性降低[5，6]。开裂材料由于退火温度或退火时间不合适，造成母材晶粒不均匀。在焊接时，焊缝和热影响区的近缝区会被加热到l 000 ℃以上，使晶粒严重长大，又不能通过热处理的方法使之细化，显著降低了热影响区的韧性[7]。而母材结晶晶粒大小不均匀使得高温下部分晶粒长大异常，使得晶界结合严重脆弱。

在旋压过程中，焊管在滚轮厚度方向上圆弧接处面的压延作用下被缓慢滚压成需要的旋转曲面[8]。焊缝组织晶粒与母材晶粒存在明显的级差，造成焊缝组织与母材塑性不一致，且焊缝显微组织粗化严重，焊接接头承受横向变形的能力变差，当滚压轮沿不同的切向角对管坯上的直线焊缝产生作用，使其产生弯曲和拉延变形时，应力集中造成的塑性变形是造成焊缝、热影响区撕裂的主要原因。

3 改进措施与结果

1）优化SUH409L 铁素体不锈钢热轧卷退火和冷轧卷退火工艺，近一步使材料晶粒度均匀，并控制在5-7 级。

2）基于铁素体不锈钢的焊接特性，优化现有焊接工艺，增加焊后保温段实现在线退火后快冷，使焊缝组织晶粒度控制在3-5 级，与基体晶粒度接近。

3）通过上述2 项措施，旋压成形过程开裂率由11.3%降为2%以下。

4 结语

SUH409L 铁素体不锈钢由于母材和焊缝组织晶粒度差异巨大，造成物性差异是焊管焊缝旋压开裂的主要原因。为此，通过工艺优化使SUH409L 钢晶粒度趋于均匀化可大大提高焊管旋压加工的良品率。