SEW汽車傳動(dòng)軸焊管開發(fā)研究

楊曉龍,張　峰,張錦剛,田永吉,白　鶴,魯碧為,周新義,徐　凱

(1.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008)

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SEW汽車傳動(dòng)軸焊管開發(fā)研究

楊曉龍1,2,張峰1,2,張錦剛1,2,田永吉2,白鶴1,2,魯碧為1,2,周新義1,2,徐凱1,2

(1.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008)

摘要：SEW是一種“高頻焊管+熱張力減徑+全管體熱處理”的新型制管工藝。其具有全管體性能均一和尺寸精度高的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)SEW管和傳統(tǒng)汽車傳動(dòng)軸焊管的常規(guī)性能進(jìn)行試驗(yàn)比較，結(jié)果表明，SEW管的大多數(shù)性能都優(yōu)于傳統(tǒng)汽車傳動(dòng)軸焊管。SEW技術(shù)可以應(yīng)用到汽車傳動(dòng)軸行業(yè)，并可將SEW技術(shù)推廣到更多的制管行業(yè)中去。

關(guān)鍵詞：焊管；汽車傳動(dòng)軸；SEW技術(shù)

中國(guó)汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，帶動(dòng)了汽車用鋼管的技術(shù)進(jìn)步。目前，國(guó)內(nèi)鋼管的生產(chǎn)已經(jīng)能夠滿足常規(guī)汽車用；但是，對(duì)于汽車工業(yè)近年提出的高強(qiáng)度、輕質(zhì)化和薄壁化等新要求，以及載重汽車用髙鋼級(jí)鋼管等特殊用途的鋼管，受工藝技術(shù)、設(shè)備能力以及原材料的限制，目前還不能大規(guī)模生產(chǎn)[1]。

與無縫鋼管相比，焊管壁厚均勻，橢圓度好，而且生產(chǎn)成本較低，在汽車傳動(dòng)軸等汽車工業(yè)領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢(shì)。在國(guó)外一些國(guó)家和地區(qū)，焊管發(fā)展迅速，大有超過無縫鋼管的趨勢(shì)。及時(shí)發(fā)現(xiàn)和借鑒其他行業(yè)、其他國(guó)家焊管的成功經(jīng)驗(yàn)，快速在汽車制造業(yè)發(fā)展焊管技術(shù)，有望逐步解決中國(guó)汽車工業(yè)的瓶頸問題。

1汽車傳動(dòng)軸用焊管

汽車傳動(dòng)軸用來傳遞動(dòng)力，在汽車工業(yè)用焊管中占有相當(dāng)大的比例。要求傳動(dòng)軸用焊管尺寸精度高，焊縫牢固，毛刺殘留高度低。在標(biāo)準(zhǔn)YB/T 5209—2010《傳動(dòng)軸用電焊鋼管》中，對(duì)原料、強(qiáng)度、直度和橢圓度等尺寸精度都有具體要求。標(biāo)準(zhǔn)中常用的牌號(hào)為CZ460和CZ500等。如果生產(chǎn)特殊鋼級(jí)和特殊用途傳動(dòng)軸管，從原料到加工不必完全拘泥于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的要求，例如生產(chǎn)高鋼級(jí)傳動(dòng)軸焊管，目前市場(chǎng)已經(jīng)出現(xiàn)了大大高于標(biāo)準(zhǔn)要求的牌號(hào)，寶鋼供應(yīng)的高強(qiáng)汽車傳動(dòng)軸管用原料卷板牌號(hào)已經(jīng)達(dá)到B600QZR以上。傳統(tǒng)的汽車傳動(dòng)軸管生產(chǎn)方法是在HFW焊接后對(duì)焊縫熱處理，這種方法的最大問題是焊縫和母材金屬的性能不一致[2]。本文介紹一種新的工藝方法——SEW(Stretch-reducing Electric Welding Technology)工藝技術(shù)，用于生產(chǎn)汽車傳動(dòng)軸焊管。

2用SEW技術(shù)開發(fā)汽車傳動(dòng)軸鋼管

SEW技術(shù)集焊管與無縫管的各自工藝優(yōu)點(diǎn)于一體，是當(dāng)今國(guó)際上應(yīng)用的一種先進(jìn)焊管制造技術(shù)，目前主要應(yīng)用于石油管材領(lǐng)域，其核心包括高頻焊接技術(shù)、管材熱張力減徑技術(shù)和全管體熱處理技術(shù)[3-4]。

2.1原料

SEW技術(shù)和傳統(tǒng)焊管技術(shù)都可采用熱軋卷板作為原料，早期寶鋼研制開發(fā)了適用于制造汽車傳動(dòng)軸的焊接鋼管專用卷板坯B440QZR和B480QZR，太鋼生產(chǎn)的440QZ在汽車傳動(dòng)軸管的生產(chǎn)上應(yīng)用也較為廣泛[5]。寶鋼現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出了汽車傳動(dòng)軸管用高強(qiáng)鋼卷板B600QZR、B700QZR以及B750QZR。

如果采用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)高鋼級(jí)汽車傳動(dòng)軸管，就要求原料卷板本身強(qiáng)度必須非常高，通過控軋控冷、卷板熱處理以及控制軋制溫度和帶鋼卷取溫度達(dá)到要求；然而這對(duì)制管設(shè)備能力提出了很高的要求，并增加了制管難度和生產(chǎn)成本[6]。相對(duì)來講，采用SEW技術(shù)，在對(duì)卷板本身的強(qiáng)度要求不是很高的情況下也可以生產(chǎn)高鋼級(jí)汽車傳動(dòng)軸管。SEW所用卷板系微合金化鋼經(jīng)TMCP軋制而成，具有較高的強(qiáng)度，良好的韌度及較高的尺寸精度。

2.2化學(xué)成分

經(jīng)過SEW工藝后，原料的化學(xué)成分幾乎沒有什么變化，所以應(yīng)從原料上嚴(yán)格把控化學(xué)成分。對(duì)用SEW技術(shù)生產(chǎn)的焊管和傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的焊管以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)比較分析[7]。有些標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間較長(zhǎng)，不能滿足現(xiàn)在的要求，對(duì)于生產(chǎn)髙鋼級(jí)的汽車傳動(dòng)軸焊管，可以考慮中碳鋼、低合金高強(qiáng)度鋼以及其他鋼種。

SEW管生產(chǎn)時(shí)采用高頻電阻焊接，后期以傳動(dòng)軸的形式應(yīng)用到車輛上還會(huì)涉及到其他焊接過程，所以成分設(shè)計(jì)應(yīng)首先考慮焊接性能；SEW焊管涉及到熱張力減徑過程，應(yīng)考慮熱加工性能；SEW焊管要經(jīng)過全管體熱處理，應(yīng)考慮熱處理性能。綜上所述，SEW傳動(dòng)軸管成分設(shè)計(jì)見表1。

表1　SEW管化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　(%)

2.3HFW焊接

HFW焊接(高頻電阻焊)是熱軋卷板經(jīng)過成型機(jī)成型后，利用高頻電流的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，使管坯邊緣加熱熔化，在擠壓輥的作用下通過壓力焊接完成管坯焊接。髙鋼級(jí)焊管在HFW焊接時(shí)，應(yīng)綜合考慮設(shè)備擠壓能力和流線角，如果流線角過小，焊縫區(qū)的氧化物夾雜得不到很好的擠出，最后就會(huì)成為焊縫開裂的裂紋源。SEW管的HFW焊接工藝參數(shù)見表2。

表2　SEW管焊接工藝參數(shù)

2.4熱張力減徑

采用在線中頻加熱，將HFW管快速加熱到奧氏體相變溫度Ac3以上，然后進(jìn)行熱機(jī)械軋制，最后得到所需規(guī)格的管徑和壁厚。較快的加熱速度能夠抑制晶粒的過快增大。采用熱張力減徑技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了同一管坯改變規(guī)格的連續(xù)高效生產(chǎn)，同時(shí)還一定程度地優(yōu)化了焊縫組織。

2.5全管體熱處理

為了得到焊縫和母材組織均一化、綜合性能良好的全管體，對(duì)熱張力減徑管進(jìn)行全管體熱處理。根據(jù)試驗(yàn)及分析研究，熱處理工藝采用淬火+高溫回火的調(diào)質(zhì)處理，熱處理工藝見表3。

表3　熱處理工藝

3組織與性能分析

3.1顯微組織

SEW管分別在1、10和50 ℃/s冷卻速度下的顯微組織形貌如圖1所示。從圖1中可以看出，當(dāng)冷卻速度>50 ℃/s時(shí)，可以得到綜合性能良好的馬氏體組織。通過研究變形量對(duì)組織的影響后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱張力減徑時(shí)，管材經(jīng)熱機(jī)械軋制，隨著變形量的增加，晶粒得到明顯細(xì)化，而且對(duì)焊縫有明顯的優(yōu)化作用。

圖1　試驗(yàn)鋼在不同冷卻速度下的顯微組織形貌

HFW焊管顯微組織圖和熱張力減徑+最后全管體熱處理的成品管顯微組織圖分別如圖2和圖3所示。HFW管焊縫中心區(qū)域存在明顯的脫碳層(見圖2)，但是經(jīng)過熱張力減徑+全管體熱處理后，焊縫和母材組織趨于一致，均為回火索氏體，且減少了母材的帶狀組織(見圖3)?？梢?，采用SEW工藝，可以得到焊縫和母材組織均一化的汽車傳動(dòng)軸管，消除了焊縫和母材的組織差異。

圖2　HFW焊管顯微組織

圖3　SEW管顯微組織

3.2拉伸性能

將傳統(tǒng)汽車傳動(dòng)軸焊管、SEW管和標(biāo)準(zhǔn)YB/T 5209—2010《傳動(dòng)軸用電焊鋼管》中最高鋼級(jí)CZ550進(jìn)行比較(見表4)，發(fā)現(xiàn)無論是母材還是焊縫，SEW管的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較高，延伸率則兩者相當(dāng)。

表4　拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.3沖擊性能

比較傳統(tǒng)汽車傳動(dòng)軸焊管和SEW管的沖擊性能，發(fā)現(xiàn)兩者沖擊性能都較好，沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為接近(見表5)。

表5　沖擊性能檢測(cè)結(jié)果

3.4壓扁性能

所取SEW管的壓扁性能均符合YB/T 5209—2010標(biāo)準(zhǔn)要求，所取傳統(tǒng)焊管有的在第1階段就產(chǎn)生裂紋，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，具體見表6[8]。

表6　壓扁性能檢測(cè)結(jié)果

3.5尺寸精度

尺寸精度測(cè)量結(jié)果見表7。從表7中可知，傳統(tǒng)焊管的尺寸精度較好。SEW管的尺寸精度雖然也滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但已經(jīng)比較靠近標(biāo)準(zhǔn)的極限值。要解決此問題，除了嚴(yán)格要求原料的尺寸精度外，更重要的是在HFW焊接過程中，尤其是熱張力減徑過程中，做到精細(xì)化管理，嚴(yán)格要求，以及穩(wěn)定的尺寸精度控制。

表7　尺寸精度測(cè)量結(jié)果

4結(jié)語

通過上述分析，得出結(jié)論如下。

1)SEW技術(shù)采用 “高頻焊管技術(shù)+管材熱機(jī)械軋制技術(shù)”的組合，即以高尺寸精度控制的TMCP(Thermo Mechanical Control Process)熱軋卷板為原料，通過HFW成型焊接，隨后對(duì)快速加熱到奧氏體相變溫度Ac3以上的HFW焊管管坯進(jìn)行多個(gè)軋輥的連續(xù)高溫?zé)釞C(jī)械軋制，最后進(jìn)行全管體熱處理。通過這種方法，細(xì)化了焊縫區(qū)的晶粒，改善了焊縫組織，消除了焊縫和母材的成分和組織差異，得到鐵素體基體上彌散分布細(xì)小碳化物的回火索氏體組織，降低了焊管殘余應(yīng)力，消除了原料鋼帶存在的帶狀組織，使焊管強(qiáng)度高，韌度好，而且抗腐蝕性能好。

2)SEW管與無縫鋼管相比，具有壁厚均勻、橢圓度好和尺寸精度高等優(yōu)點(diǎn)，SEW管與傳統(tǒng)焊管相比，具有焊縫和母材成分、組織、性能差異小，鋼管全管體性能均一化的優(yōu)點(diǎn)。

3)對(duì)SEW管與傳統(tǒng)汽車傳動(dòng)軸焊管進(jìn)行比較可知，SEW管的拉伸性能、沖擊性能、壓扁性能和尺寸精度等常規(guī)性能均符合傳動(dòng)軸焊管標(biāo)準(zhǔn)要求， 其中大多數(shù)性能比傳統(tǒng)汽車傳動(dòng)軸焊管優(yōu)異，尺寸精度應(yīng)在實(shí)際生產(chǎn)中重點(diǎn)控制。

4)與國(guó)外相比，中國(guó)的焊管行業(yè)還有較大的發(fā)展空間，SEW技術(shù)同時(shí)擁有無縫管和焊管的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展?jié)摿薮?，?yīng)積極推廣，并將SEW技術(shù)應(yīng)用到更多的高附加值的制管行業(yè)中去。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯馬彤

Research on SEW Automotive Drive Shaft Welded Pipe

YANG Xiaolong1,2, ZHANG Feng1,2, ZHANG Jingang, TIAN Yongji2, BAI He1,2, LU Biwei1,2, ZHOU Xinyi1,2, XU Kai1,2

(1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods， Baoji 721008， China；2.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.， LTD.， Baoji 721008， China)

Abstract：SEW is a new kind of high frequency welded pipe, hot stretch-reducing and whole body heat treatment process producing steel pipe,which has the advantage of uniform performance of the whole pipe body and good precision in geometric size of the pipe.The conventional performance of the pipe produced by SEW technology and traditional automobile transmission shaft welded pipe is compared. The results show that most of the performance of the SEW pipe is so good that the SEW technology is completely feasible in the automotive drive shaft industry.The SEW technology should be promoted to the other steel pipe industry.

Key words:welded pipe， automobile transmission shaft， SEW technology

收稿日期：2015-08-31

作者簡(jiǎn)介：楊曉龍(1987-)，男，助理工程師，碩士，主要從事管材開發(fā)等方面的研究。

中圖分類號(hào)：U 463.21；TG 4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A