汽車用不銹鋼焊接鋼管的需求與生產(chǎn)

       近年來，隨著使用壽命和排氣溫度的不斷升高，汽車對排氣系統(tǒng)冷端耐局部腐蝕性能和熱端高溫抗氧化性提出了更高的要求。本文在我國汽車產(chǎn)量持續(xù)增加的背景下，對汽車用不銹鋼焊接鋼管的使用情況進(jìn)行了綜述分析。

1我國汽車行業(yè)發(fā)展及用鋼情況預(yù)測

       據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計分析，2016年我國汽車產(chǎn)銷量為2812萬輛和2803萬輛，同比增長14.5%和13.7%，增幅比上年提升11.2個百分點和9.0個百分點，汽車產(chǎn)銷量再創(chuàng)歷史新高。

       “十三五”期間，我國汽車行業(yè)在剛性消費需求、汽車報廢更新和新能源汽車發(fā)展的推動下，產(chǎn)量將繼續(xù)增長，但受基數(shù)較大、交通擁堵、環(huán)境污染等因素的制約，增速不會太高，預(yù)測增速為3%左右，2020年產(chǎn)量有望達(dá)到3150萬輛。

       隨著汽車高強(qiáng)鋼的使用比例繼續(xù)增加，汽車整車用鋼總量增速將小于汽車行業(yè)產(chǎn)量增速。另外，汽車零部件出口將保持穩(wěn)定增長，零部件用鋼和維修消費鋼材總量將有所增長。據(jù)測算，2016年汽車用鋼消費量約5550萬噸。

       在汽車制造業(yè)中，不銹鋼材料由于強(qiáng)度高、耐腐蝕、相對質(zhì)量比較輕、受沖擊以后吸收能量比其他金屬材料強(qiáng)、安全性能好、制造組裝工藝簡單等優(yōu)點用量不斷增加。

       近年來，每輛汽車的不銹鋼用量從80年代的10kg左右逐步增加到20-30kg，美國已超過40kg。綜合來看，未來幾年我國每年汽車行業(yè)不銹鋼需求量將達(dá)100萬噸左右。

2汽車用不銹鋼

2.1

不銹鋼在汽車行業(yè)中的應(yīng)用

       不銹鋼在汽車行業(yè)的應(yīng)用大致可以歸結(jié)為五大類：汽車排氣系統(tǒng)用不銹鋼、汽車燃油箱用不銹鋼、汽車車架用不銹鋼、汽車不銹鋼零部件和汽車裝飾用不銹鋼。

       汽車燃油箱用不銹鋼主要為不銹鋼板，要求具有優(yōu)良的沖壓成形性能、焊接性能及較高的耐蝕性（內(nèi)部耐燃油腐蝕性能和外部對嚴(yán)酷環(huán)境的耐蝕性），使用較多的是奧氏體不銹鋼，如SUS304L。汽車車架用不銹鋼為汽車用高強(qiáng)度不銹鋼板，如鐵素體不銹鋼制成的整體車身外殼，使用壽命一般為15-20年。

       不銹鋼也應(yīng)用在多種汽車零部件，如不銹鋼密封圈、不銹鋼板式換熱器（材料多采用SUS304、SUS430和SUS409L）、汽車發(fā)動機(jī)系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)用不銹鋼緊固件（常用的不銹鋼有SUS410、SUS304、SUS316、SUS430JIL、SUH660等）。

       汽車裝飾也使用不銹鋼，如不銹鋼嵌條、天線、車輪蓋或大型客車的扶手、安全欄桿、吊手桿等。不銹鋼管在國內(nèi)主要應(yīng)用于乘用車排氣系統(tǒng)和整車裝飾，其中以汽車排氣系統(tǒng)應(yīng)用為主。

2.2

汽車排氣系統(tǒng)用不銹鋼焊管

       汽車排氣系統(tǒng)位于車輛底部，連接發(fā)動機(jī)出氣端與大氣，主要作用是排放發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的廢氣、凈化廢氣、降低噪音，其關(guān)系到整車的動力、排放、振動噪聲、舒適度等性能。汽車排氣系統(tǒng)從靠近發(fā)動機(jī)一側(cè)開始，由排氣歧管、前管、撓性管、中心管、消音器和尾管等構(gòu)成，根據(jù)車形的不同，有的還安裝數(shù)個催化轉(zhuǎn)換器及副消聲器等。

       根據(jù)汽車排氣系統(tǒng)各部件服役溫度的不同，將其分為汽車排氣系統(tǒng)熱端和汽車排氣系統(tǒng)冷端。由于排氣歧管直接與汽車發(fā)動機(jī)相連，服役溫度最高，所以排氣歧管為汽車排氣系統(tǒng)熱端的代表；消音器服役溫度低，是汽車排氣系統(tǒng)冷端的代表。

       在排氣系統(tǒng)零部件構(gòu)成中，管件約占總重量的60%以上，如歧管、前管、中心管、消聲器中的彎管及尾管等。汽車用排氣管件早期常用鑄鐵管、鍍鋅鋼管和鍍鋁鋼管，早期排氣歧管所使用的鑄鐵件等工作溫度為800℃以下，已不能滿足服役條件。目前耐熱性能高的不銹鋼薄壁焊管和無縫管已用于汽車排氣管的制造。

       近年來，由于世界能源緊張和環(huán)境日趨惡化，汽車工業(yè)提高燃?xì)鉄嵝?、減輕汽車自身重量等方面的需求對排氣系統(tǒng)提出了更高的要求，不斷地提高發(fā)動機(jī)排氣溫度。排氣歧管工作溫度由750℃-800℃上升到900℃-950℃，甚至更高；排氣歧管及緊固件由普碳鋼等轉(zhuǎn)換為不銹鋼；消聲器廢氣溫度提高，加重了腐蝕程度，也必須采用不銹鋼。

       目前，在歐洲、美國及日本的汽車中，排氣系統(tǒng)已經(jīng)100%使用不銹鋼。排氣系統(tǒng)的不銹鋼用量已占到汽車不銹鋼應(yīng)用總量的一半以上，綜合來說，每輛車排氣系統(tǒng)用不銹鋼約15kg，由此推算，未來幾年我國每年汽車行業(yè)排氣系統(tǒng)用不銹鋼將維持在50萬噸左右。

3 汽車排氣系統(tǒng)用不銹鋼管生產(chǎn)情況

3.1

工藝發(fā)展

3.1.1 不銹鋼品種

       20世紀(jì)70年代開始，日本、美國、歐洲等國家已廣泛采用304等奧氏體不銹鋼制作汽車排氣系統(tǒng)，但奧氏體不銹鋼線膨脹系數(shù)較大，在高溫服役過程中，其表面氧化皮會發(fā)生明顯剝落，且奧氏體不銹鋼成本高，其主導(dǎo)地位逐漸削弱。

       自20世紀(jì)90年代開始，隨著不銹鋼冶煉技術(shù)不斷提高，鐵素體不銹鋼的加工成形性和耐腐蝕性能得到了明顯的提高。另外，鐵素體不銹鋼成本低、具有優(yōu)良的耐蝕性與高溫特性，再加上其固有的熱膨脹率小和導(dǎo)熱性高等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于汽車排氣系統(tǒng)。

       在我國生產(chǎn)的轎車排氣系統(tǒng)用不銹鋼中，奧氏體不銹鋼主要是304、309、321等，鐵素體不銹鋼主要是409、429、432、436、439、441、444等。排氣系統(tǒng)應(yīng)用的奧氏體不銹鋼已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)化；鐵素體不銹鋼由于牌號少、性能不如國外產(chǎn)品穩(wěn)定、用戶使用習(xí)慣等，使用較多的是進(jìn)口日本、韓國的409、439、436等材料。409L由于價格相對較低，作為汽車排氣系統(tǒng)用主要鋼種，已在汽車上大量應(yīng)用。

       汽車排氣系統(tǒng)零部件因所處環(huán)境不同，對材料的性能要求各不相同。如熱端主要關(guān)注材料的高溫氧化、高溫疲勞等性能，以選用耐高溫性能優(yōu)良的SUS429和SUS441等為主。消聲器等冷端部位，冷凝液腐蝕是其主要的失效形式，選擇材料時要考慮耐冷凝液腐蝕性能和成形性能等，低鉻的SUH409L和中鉻的SUS439L、SUS436L等鋼種為首選。中心管等選擇抗高溫氧化和抗高溫鹽蝕性能良好的鐵素體不銹鋼和含鉬不銹鋼，如SUH409L、B436L等。

       目前，在日本汽車制造業(yè)中，轎車排氣歧管用不銹鋼由SUH409L制成；美國汽車制造業(yè)排氣系統(tǒng)應(yīng)用不銹鋼為T409、T439、AL409、436S等。由于排氣溫度升高，排氣歧管用不銹鋼由SUH409L（低等級）、SUS430JIL（高等級）進(jìn)展到高性能材料SUS444的趨勢逐漸明顯。

       汽車排氣系統(tǒng)的不銹鋼化已基本實現(xiàn)，但今后將采用性能更高且價格更低的材料。隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)和完善，鐵素體不銹鋼的應(yīng)用將會越來越廣泛。

3.1.2 生產(chǎn)工藝

       汽車排氣系統(tǒng)零部件所用管材是由冷軋板經(jīng)過彎管成形及焊接獲得的不銹鋼焊管，還要經(jīng)過彎管成形、縮頸、擴(kuò)管等冷加工及焊接等工藝過程加工成不同形狀的管件，因此，要求焊管具有良好的成形性能和焊接性能。

       汽車排氣系統(tǒng)用不銹鋼焊管大多壁厚在2.5mm以下，生產(chǎn)主要采用連續(xù)成形直縫焊接方法，包括鎢極氬弧焊（TIG）、高頻電阻焊（HFW）、激光焊（LBW）以及它們之間的組合焊接（HFW+LBW）等。針對使用比例較高的不銹鋼焊管，早期的焊接主要采用氬弧焊（TIG）。隨著高頻焊接（HFW）及激光焊接（LBW）工藝的廣泛應(yīng)用，在歐美及日本，汽車用不銹鋼焊管已經(jīng)完全采用了高效率的高頻焊接及激光焊接模式。

       在我國，受激光焊接及高頻焊接對設(shè)備的投入大、焊接工藝要求高等因素制約，主要焊管廠的焊接工藝仍然以TIG焊為主。最近幾年，隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，與之配套的汽車零部件總承廠及其二級供應(yīng)商也認(rèn)識到高頻焊接及激光焊接工藝的顯著優(yōu)勢。為適應(yīng)產(chǎn)量和使用需求，已經(jīng)有部分焊管企業(yè)將新增焊管產(chǎn)線轉(zhuǎn)向激光及高頻焊接工藝。

3.2

典型生產(chǎn)企業(yè)

3.2.1原料生產(chǎn)企業(yè)

1）寶鋼不銹

       寶鋼不銹鋼有限公司（簡稱“寶鋼不銹”）是我國重要的不銹鋼精品制造基地，主要產(chǎn)品有熱軋不銹鋼板卷、冷軋不銹鋼薄板和冷軋不銹鋼焊管等，形成了鐵素體、奧氏體、馬氏體、雙相鋼等四大系列產(chǎn)品。2005年寶鋼不銹開始汽車排氣系統(tǒng)用不銹鋼SUH409L的產(chǎn)品開發(fā)，2006年獲得了德國大眾的產(chǎn)品認(rèn)證并出口海外。

       隨著國家級汽車用鋼重點實驗室在寶鋼成立，以及寶鋼對“整車用鋼”理念的不斷深入研究，寶鋼對不銹鋼在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用也進(jìn)行了大量探索和實踐，在汽車排氣系統(tǒng)用不銹鋼領(lǐng)域取得了卓有成效的進(jìn)展。

       近年來，寶鋼不銹在汽車排氣系統(tǒng)用不銹鋼開發(fā)及應(yīng)用方面始終處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，其自主開發(fā)的系列汽車排氣系統(tǒng)用鋼已經(jīng)在國內(nèi)日系、歐系及美系三大車系的車輛中大批量國產(chǎn)化應(yīng)用。寶鋼不銹生產(chǎn)的不銹鋼焊管被廣泛應(yīng)用在排氣歧管、前管、中管、消聲器及尾管等部位，性能達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)水平，取得汽車行業(yè)質(zhì)量管理體系、汽車排氣系統(tǒng)用不銹鋼鋼種等認(rèn)證。

       目前，寶鋼不銹已經(jīng)形成了系列化的汽車排氣系統(tǒng)用不銹鋼，如SUH409L、B409M、B436L、B439M、B441、B429、B444M2等，寶鋼開發(fā)的B409M，通過在SUH409L基礎(chǔ)上采用Nb、Ti雙穩(wěn)定化處理，有效提高了不銹鋼的耐腐蝕性能。

       2016年底，寶鋼不銹、泛亞汽車技術(shù)中心有限公司、上海天納克排氣系統(tǒng)有限公司共同建立了國內(nèi)首家汽車用不銹鋼聯(lián)合實驗室，汽車排氣管用不銹鋼材料的升級換代成為聯(lián)合實驗室重點推進(jìn)的材料升級項目之一。

       2017年6月份，寶鋼不銹的母公司寶武集團(tuán)全球首發(fā)產(chǎn)品——汽車排氣管用不銹鋼B425DP在上海通用成功通過路跑測試，設(shè)計壽命達(dá)到5年、10萬千米。

       今年初，由寶鋼不銹、中央研究院牽頭起草制訂的《汽車排氣系統(tǒng)用冷軋鐵素體不銹鋼鋼板和鋼帶》已正式通過國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會組織審核，實現(xiàn)了寶武集團(tuán)在不銹鋼產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)制訂方面的突破。

       汽車排氣管用不銹鋼是寶鋼不銹目前最具競爭力的主打產(chǎn)品之一，國內(nèi)市場占有率達(dá)到30%以上，該產(chǎn)品不僅在通用汽車得到廣泛、穩(wěn)定的使用，而且在國內(nèi)日系、歐系及美系車的制造中，均得到了大批量國產(chǎn)化應(yīng)用，市場份額穩(wěn)居國內(nèi)前列。

2）太鋼

       鐵素體不銹鋼由于制造難度大、工藝技術(shù)水平要求高，只有少數(shù)發(fā)達(dá)國家掌握其生產(chǎn)技術(shù)，我國在2002年這類鋼還完全依靠進(jìn)口。太鋼作為國內(nèi)最大的不銹鋼生產(chǎn)企業(yè)，隨著2003年50萬噸不銹鋼系統(tǒng)改造工程的完成，已經(jīng)具備研發(fā)、生產(chǎn)汽車排氣系統(tǒng)用超純鐵素體不銹鋼的設(shè)備、技術(shù)能力。2016年，汽車排氣系統(tǒng)用不銹鋼市場銷售額比2015年增長36.7%。

       我國油品硫含量偏高，造成排氣系統(tǒng)消音器部位使用409L材料經(jīng)常會出現(xiàn)在質(zhì)保期內(nèi)發(fā)生腐蝕失效問題。針對這一問題，太鋼等6家單位成立了“產(chǎn)、學(xué)、研、用”聯(lián)合攻關(guān)組，開發(fā)出適合我國油品條件的新型鐵素體不銹鋼439M，其在耐蝕性、力學(xué)性能、成型性能、焊管的焊縫組織和焊后晶間腐蝕等方面與進(jìn)口韓國浦項的汽車排氣系統(tǒng)用439對比，表現(xiàn)出了良好的綜合性能，已作為一汽集團(tuán)所產(chǎn)轎車的排氣管材料使用。

3.2.2 焊管生產(chǎn)企業(yè)

       浙江久立特材科技股份有限公司（簡稱“久立特材”）作為久立集團(tuán)股份有限公司的核心控股子公司，是一家專業(yè)致力于工業(yè)用不銹鋼及特種合金管材、雙金屬復(fù)合管材、管配件、涂層等管道系列產(chǎn)品研發(fā)與生產(chǎn)的企業(yè)，建有世界先進(jìn)水平的FFX成型、JCO成型、激光焊接等焊接管生產(chǎn)線。久立特材產(chǎn)品包括奧氏體不銹鋼管、鐵素體不銹鋼管及特種合金等多鋼種，其管材產(chǎn)銷量多年居國內(nèi)首位，也包括汽車用管。

       山東恒業(yè)金屬制品有限公司擁有兩條先進(jìn)的焊接鋼管生產(chǎn)線，主導(dǎo)產(chǎn)品為高檔焊接鋼管，年產(chǎn)量25000t，主要市場為北方的汽車、家具、機(jī)械和石化等行業(yè)用戶。其主要產(chǎn)品包括減震器管、排氣管、消聲器管等產(chǎn)品。此外，江蘇中友精密制管有限公司、江蘇豐立精密制管有限公司和天津大佑鋼管有限公司等企業(yè)生產(chǎn)的轎車制動器管、排氣管、減震器管等均得到市場認(rèn)可。