催化轉(zhuǎn)換器最優(yōu)封裝工藝研究

徐火青，齊喜岑，李金閣，句孝飛

(1.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044；2.中國核工業(yè)第二四建設(shè)有限公司，北京 101601)

催化轉(zhuǎn)換器最優(yōu)封裝工藝研究

徐火青1，齊喜岑1，李金閣1，句孝飛2

(1.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044；2.中國核工業(yè)第二四建設(shè)有限公司，北京 101601)

通過熱-力單向耦合，將溫度場結(jié)果施加到應(yīng)力場上，依據(jù)焊接熱彈塑性有限元分析理論，考慮到材料隨溫度變化的力學(xué)性能以及材料的應(yīng)變強(qiáng)化，對三種封裝工藝的催化轉(zhuǎn)換器進(jìn)行應(yīng)力和變形的數(shù)值模擬。最后，從殘余應(yīng)力、變形、封裝時間和焊縫抗熱裂性等方面對比三種封裝工藝的催化轉(zhuǎn)換器，從實(shí)際生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的角度，得出較好的封裝焊接工藝。

催化轉(zhuǎn)換器；焊接殘余應(yīng)力；焊接變形；數(shù)值模擬

0 前言

SCR尾氣凈化系統(tǒng)相對于其他凈化技術(shù)優(yōu)勢明顯，近年來得到廣泛的應(yīng)用。催化轉(zhuǎn)換器是SCR系統(tǒng)的核心部件之一，是尾氣與催化劑在載體上反應(yīng)的支撐體，主要通過焊接工藝封裝而成[1-2]。其殼體材料為奧氏體不銹鋼薄板，由于奧氏體不銹鋼具有線膨脹系數(shù)大的特點(diǎn)，容易產(chǎn)生焊接變形；同時，催化轉(zhuǎn)換器的工作環(huán)境較為復(fù)雜，較大的殘余應(yīng)力容易引起應(yīng)力腐蝕裂紋[3]。因此，無論從產(chǎn)品外觀還是使用壽命上，研究其焊接變形和殘余應(yīng)力以及在工藝上減少封裝時間，對于提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率、延長使用壽命都具有重要的意義。

1 催化轉(zhuǎn)換器的封裝工藝

催化轉(zhuǎn)換器由載體、密封襯墊和不銹鋼殼體組成，其封裝過程就是將這三個獨(dú)立的部分外加兩端端蓋固定為一個整體。目前，工業(yè)上催化轉(zhuǎn)換器的封裝方式主要有蚌殼式、填入式和捆綁式三種[4]。蚌殼式封裝大多屬于定腔封裝，封裝后催化轉(zhuǎn)換器尺寸固定，封裝力的大小和分布由各零件的尺寸精度來保證，其封裝示意如圖1a所示?？刹捎肨IG焊、MIG焊，必要時增加TIG或MIG點(diǎn)焊工序進(jìn)行預(yù)固定。填入式封裝首先將薄壁不銹鋼板通過卷板機(jī)卷筒并焊接成筒體，然后將載體在外力的作用下壓入，也屬于定型腔封裝，但其型腔尺寸能精確控制，受力狀況比蚌殼式好，采取一些輔助措施后也能得到相當(dāng)長的使用壽命，其封裝示意如圖1b所示。填入式封裝大多采用圓柱形載體，配合適當(dāng)?shù)墓ぱb，其他形狀載體也能封裝。筒體通常采用不填絲TIG焊，其他部分則用MIG焊或TIG焊，有些催化轉(zhuǎn)換器塞入后采用旋壓成型。捆綁式封裝是控制封裝力的一種較理想的方式，其受力最均勻，能夠保證較長的使用壽命，適用于圓柱形載體。一般用MIG焊，點(diǎn)焊固定時可采用TIG焊，其封裝示意如圖1c所示。

圖1 催化轉(zhuǎn)換器的三種封裝工藝Fig.1 Three kinds of catalytic converter packaging proceeses

2 三種封裝工藝比較

2.1 變形量

催化轉(zhuǎn)換器的材料為奧氏體不銹鋼SUS304。圖2a為蚌殼式，明顯發(fā)生了翹曲變形，筒體上焊縫收縮，向內(nèi)凹陷，端口則向外翹起。翹曲變形是由于焊縫縱向峰值拉應(yīng)力而引起的兩側(cè)板件中的壓應(yīng)力作用，當(dāng)壓應(yīng)力值高于板件的臨界失穩(wěn)壓應(yīng)力值，板件翹曲失穩(wěn)。在縱焊縫的橫截面上，焊縫中心低于兩邊，這是由殘余應(yīng)力場在穩(wěn)定狀態(tài)下具有最小勢能決定的，同時在失穩(wěn)狀態(tài)下，焊縫相應(yīng)縮短，使得其中一部分峰值拉應(yīng)力有所降低。通常，在失穩(wěn)彎曲變形狀態(tài)時，板內(nèi)的應(yīng)力場發(fā)生畸變，勢能降到最低，使得失穩(wěn)變形的形狀保持相對穩(wěn)定。

圖2b為填入式，其最大的變形量為0.61 mm，發(fā)生在環(huán)焊縫與縱焊縫交接的區(qū)域。工件并沒有發(fā)生薄板的失穩(wěn)翹曲變形，這是因?yàn)閳A筒體的剛度要比平板薄板剛度大，在同樣的焊接條件下，圓筒體不易發(fā)生失穩(wěn)翹曲變形。同時，填入式催化轉(zhuǎn)換器的焊接工藝也能在一定程度上減小失穩(wěn)變形。左端端蓋口基本上沒有發(fā)生變形，這是因?yàn)閷ζ涫┘恿藙傂约s束所致。對于兩端的環(huán)焊縫，在焊縫中心線上產(chǎn)生的下凹變形，尤其是起始點(diǎn)位置由于經(jīng)過了多次的焊接熱循環(huán)，其下凹變形量最大，而在離焊縫稍遠(yuǎn)處則會出現(xiàn)上凸變形，但幅值較小。這是因?yàn)榄h(huán)焊縫的周長縮短造成了殼體變形。環(huán)形焊縫下陷，同時在焊縫中的峰值應(yīng)力也隨之降低。

圖2c為捆綁式，焊接變形主要集中在焊縫附近，左端蓋不發(fā)生變形，這是因?yàn)閷ζ涫┘恿藙傂约s束所致。右端蓋口的變形較小，說明焊接過程對端蓋口的影響較小。焊接變形最大的部位仍是環(huán)焊縫與縱焊縫交接的區(qū)域，為0.63 mm。對于兩端的環(huán)焊縫，在焊縫中心線上產(chǎn)生下凹變形，尤其是起始點(diǎn)位置由于經(jīng)過了多次的焊接熱循環(huán)，其下凹變形量最大，而在離開焊縫稍遠(yuǎn)處則會出現(xiàn)上凸變形，但幅值較小。這是環(huán)焊縫在周長上縮短造成的殼體變形，可能會引起安裝邊角變形。

通過比較三種封裝工藝焊接殘余變形分布云圖可知，在最大變形量上，蚌殼式產(chǎn)生翹曲失穩(wěn)變形，變形量最大，為1.69 mm，捆綁式次之，為0.63mm，填入式最小，為0.61mm。從變形區(qū)域上看，蚌殼式在中間筒體部位變形較小，而端蓋口的變形量較大；填入式和捆綁式的變形基本上沿焊縫分布，端蓋口的變形較小；捆綁式的整體變形區(qū)域比填入式稍大。

2.2 殘余應(yīng)力

圖2 三種催化轉(zhuǎn)換器焊接殘余變形分布云圖(30×)Fig.2 Contours of welding deformation of three different catalytic converters(30×)

Fig.3 三種催化轉(zhuǎn)換器等效殘余應(yīng)力分布云圖Fig.3 Contours of welding Von Mises equivalent stress of three different catalytic converters

一些情況下，材料雖然受到很大的單向殘余應(yīng)力，但并沒有被破壞，這就要看其Von mises等效殘余應(yīng)力，圖3給出了三種工藝下的焊接Von Mises等效殘余應(yīng)力分布云圖。圖3a為蚌殼式，對于中間筒體，在焊后的逐漸冷卻過程中，焊縫處殘余應(yīng)力逐漸增大；在冷卻到室溫后，應(yīng)力分布集中于焊縫和近焊縫區(qū)，距離焊縫越遠(yuǎn)，應(yīng)力越小。其殘余應(yīng)力峰值為362 MPa，已經(jīng)超過了SUS304在20℃下的屈服強(qiáng)度，這是因?yàn)榭紤]了應(yīng)變強(qiáng)化，是正常的。圖3b為填入式，殘余應(yīng)力主要分布在中間筒體的縱焊縫上，沿焊縫方向上兩端較小，垂直于焊縫的方向上逐漸減小，在斜面及端蓋口殘余應(yīng)力則較小。圖3c為捆綁式，焊后殘余應(yīng)力主要分布于焊縫及近縫區(qū)，離焊縫越遠(yuǎn)，殘余應(yīng)力值越小。整個焊件的最大殘余應(yīng)力為373 MPa，同樣已經(jīng)超過了SUS304材料在20℃下的屈服強(qiáng)度，這也是應(yīng)變強(qiáng)化的結(jié)果。

通過比較發(fā)現(xiàn)，三種封裝類型的催化轉(zhuǎn)換器的殘余應(yīng)力基本上都是沿焊縫分布。蚌殼式的殘余應(yīng)力最大為375 MPa，捆綁式為373 MPa，填入式為362 MPa，可見在殘余應(yīng)力方面，三者相差不大。

2.3 封裝時間

封裝時間是完成一個催化轉(zhuǎn)換器封裝所需的時間，封裝時間的長短直接關(guān)系著生產(chǎn)效率的高低，縮短封裝時間是提高經(jīng)濟(jì)效益的最簡單有效的方法。根據(jù)三種類型催化轉(zhuǎn)換器的封裝工藝和焊接速度，其封裝時間如表1所示。

表1 三種類型催化轉(zhuǎn)換器的封裝時間Tab.1 Manufacturing time of three different catalytic converters

由表1可知，雖然蚌殼式的封裝時間最短，為79.3 s，但蚌殼式封裝需要兩臺焊機(jī)同時焊接，增加了設(shè)備投入成本，若只用一臺焊機(jī)，封裝時間應(yīng)在160 s以上。因此，在同等條件下，捆綁式在提高生產(chǎn)效率上有一定的優(yōu)勢。

2.4 焊縫抗熱裂性能

由于蚌殼式、填入式、捆綁式催化轉(zhuǎn)換器采用了不同的焊接方法，即蚌殼式和填入式采用不填絲TIG焊，而捆綁式催化轉(zhuǎn)換器采用填絲MIG焊，因此其焊縫的抗裂紋性能也不盡相同。

SUS304屬于非穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼，在采用無填充材料TIG焊時，焊縫金屬的化學(xué)成分與母材相同。但是奧氏體不銹鋼在出廠時都進(jìn)行了1 050℃～1 100℃的固溶退火處理。在此熱處理過程中，碳化物M23C6、σ相和δ鐵素體完全溶解，退火后的組織為全部均勻的奧氏體組織，在隨后的淬火處理中，這種組織將被保留，所以在室溫下，材料被焊之前的組織是奧氏體，沒有鐵素體。但是為了獲得良好的抗熱裂性能，焊縫組織不應(yīng)為全奧氏體，應(yīng)該為奧氏體加5%～15%的δ鐵素體[5]。如果采用不填絲焊接方法，根據(jù)Delong圖，在焊縫和熱影響區(qū)有可能產(chǎn)生熱裂紋，必須將不銹鋼的化學(xué)成分嚴(yán)格控制在一定的范圍內(nèi)，使得焊后焊縫能生成一定量的一次δ鐵素體，這樣當(dāng)焊縫冷卻到室溫時，焊縫組織為奧氏體+部分δ鐵素體[5]。SUS304的w(Cr)＝17%～19.5%之間，w(Ni)＝8%～10%，根據(jù)Delong圖，為了焊后獲得足夠的δ鐵素體含量，Cr含量必須要保持在上限，而Ni含量必須要保持在下限，基于制造成本和工藝考慮，制造廠商通常會降低Cr、Ni含量，因此SUS304在采用不填絲TIG焊時更容易產(chǎn)生熱裂紋。當(dāng)然，也可以提前與廠家協(xié)商解決。當(dāng)采用填充材料焊接SUS304時，則一般不會出現(xiàn)問題，因?yàn)樵O(shè)計(jì)焊縫成分時，已經(jīng)考慮了凝固時產(chǎn)生一定量的一次δ鐵素體，所以室溫下有足夠的鐵素體保證焊縫具有較高的抗熱裂能力。由此可見，捆綁式催化轉(zhuǎn)換器外殼的抗熱裂性能要好于蚌殼式和填入式。

3 結(jié)論

在變形方面，三種封裝方式雖然都能滿足產(chǎn)品要求，但是蚌殼式催化轉(zhuǎn)換器的變形量要明顯大于其他兩種，填入式和捆綁式變形量基本相當(dāng)；在殘余應(yīng)力方面，三者相差不大；在封裝時間方面，在同等設(shè)備條件下，捆綁式的封裝時間最短；在焊縫抗裂紋性能方面，捆綁式要優(yōu)于其他兩種。因此，從兼顧產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的角度出發(fā)，捆綁式催化轉(zhuǎn)換器占有一定優(yōu)勢。

[1]黃 鵬.國外車用柴油機(jī)SCR技術(shù)的應(yīng)用研究[J].車用發(fā)動機(jī)，2005，157(3)：5-7.

[2]王務(wù)林.汽車催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)概論[M].北京：人民交通出版社，1999.

[3]劉仁培，董祖玨，魏艷紅.不銹鋼焊接凝固裂紋應(yīng)力應(yīng)變場數(shù)值模擬模型的建立[J].焊接學(xué)報(bào)，1999，20(4)：238-242.

[4]張洪汛，勾 頻，陳 琪.催化器封裝制造工藝分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2002(6)：85-87.

[5]埃里?！じ？斯?不銹鋼焊接冶金[M].北京化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

Study on the best packaging technology of catalytic converter

XU Huo-qing1，QI Xi-cen1，LI Jin-ge1，JU Xiao-fei2
(1.College of Material Science and Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China；2.China Nuclear Industry 24 Construction Co.，LTD，Beijing 101601，China)

In this paper，the results of the temperature fields were applied to the mechanical field with thermal-mechanical coupled，which based on the welding thermo-elastic-plastic finite element analysis theory，taking into account the material mechanical properties with temperature and strain hardening.The welding residual stress fields and the welding deformation of three catalytic converters were simulated by SYSWELD.Finally，three catalytic converters were compared from the welding residual stress，welding deformation，manufacturing time and hot-crack resistance,and the better manufacturing technology was proposed.

catalytic converter；welding residual stress；welding deformation；numerical simulation

TG404

A

1001-2303(2012)03-0074-04

2011-09-04

徐火青(1988—)，男，江西贛州人，碩士，主要從事鋁合金焊接數(shù)值模擬的研究。