一种高性能车用钛合金排气管及加工工艺

技术领域

本发明涉属于钛材料加工技术领域，涉及排气管，尤其涉及一种高性能车用钛合金排气管及加工工艺。

背景技术

钛合金具有比强度高、耐蚀、耐热性高等特点，钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。因此，使用钛合金制造排气管可以提高排气管的使用寿命，能更佳顺畅的排出发动机高温废气，还可以使声音效果(或声浪)更佳的突出。

目前，排气管主流材质为不锈钢，赛车、高级跑车和有少量改装车使用钛合金材质，相比较而言，钛合金材质排气管具有如下特点：

1、质轻，强度高。同体积钛合金材质相比不锈钢材质更加轻盈，约是不锈钢材质1/3，强度也更高，轻量化显著。

2、耐热性和散热性好。虽然现在排气管都可以承受很高的温度，但是相比较而言钛合金的耐热性和散热性显著优于不锈钢；耐高温程度越高等特点。

3、声浪更加清越高亢：由于钛合金的排气管壁较薄，相比较不锈钢排气管，在声音方面，钛的阻尼性好，声浪更好，清越。因此，钛合金管排气声音会较为高亢，不锈钢的较为的浑厚低沉。

4、钛合金成本高：钛材料的成本高，加工难度高，不易拉伸，

5、传统定制模具制造排气管成本高。

上述的两种材料的排气管还存在一些问题或者不足，首先，钛合金排气管碍于物理性能和生产工艺决定了它不易弯曲，尤其是对“管向”形状和装配要求甚高的排气管(俗称“九曲十八弯”)，如果再加上不同的车型和烟气流程等制约因素就更难加工制造。通常，现有技术是将管材放在弯管机上借用外力折弯成型的，如果弯管精准度不足，定位弯曲成型的排气管就会产生排汽不顺畅，产生排汽干涉现象，成为废品。再者，钛合金管不能无限制地弯曲，弯曲部位薄厚不均，由于弯曲拉伸会使合金组织晶粒粗大，晶粒间隙变大，一些弯度较大的部位耐受不了大油门高温气浪的冲击(通常在0.5±0.2MPa，瞬时则更高)，特别是在持续冲击力下(如脉冲式轰油门)情况下，弯曲部位就很容易导致疲劳破损，严重时就会冲破弯曲部位的薄弱区域穿孔破损，排汽失效，影响安全。钛合金焊接要比钢材困难，它对焊接的要求高。

发明内容

基于上述问题或不足，本发明提供一种高性能车用钛合金排气管及其加工工艺，拟采用纯钛或钛合金管(纯钛、TC4、TA2)，分割焊接成型法制造钛合金排气管，使排气管的耐高温气浪冲击强度得到显著提高，填补了车用钛合金排气管的市场空白。

首先，本发明提供一种高性能车用钛合金排气管，包括钛合金排气管的本体(1)，其特征在于，在本体(1)上具有至少一个弯曲部，所述弯曲部的弧度为A°，所述弯曲部由多个管弯头(12～N)依次通过真空氩弧焊焊接构成。

进一步的改进在于，所述弯曲部为1-3个，排气管的左侧长度(L1)与排气管的右侧长度(L2)相等或者不等。

进一步的改进在于，所述弯头由钛合金直管按照倾斜横截面线切割而成，当所述弯曲部的弧度为A°，弯头数量为X时，则单个所述弯头段的弧度a＝(A/X)°；所述本体(1)的外径直径为D，壁厚为t，则内径为D-2t；焊缝数量则为X+1；

同时满足18t≤D≤22t，2≤X≤10。

进一步的改进在于，所述弯曲部的弧度A°为90°，所述弯头数量X＝10时，则单个所述弯头段的弧度a＝9°，选壁厚t＝2mm时，则D＝36mm，内径为32mm；相应的焊缝数量为11。

进一步的改进在于，所述弯曲弧度A°为120°，所述弯头数量X＝4时，则弯头段的弧度a＝30°；选壁厚t＝2mm，则D＝44mm，内径为36mm；相应的焊缝数量为5。

在本发明的另一个方面，提供一种高性能车用钛合金排气管加工工艺，包括以下步骤：

S1，备料，选择TC4钛合金直管，管壁厚为t；

S2，切割弯头，将所述TC4钛合金直管用线切割机切割成多个管弯头，所述弯头由钛合金直管按照倾斜横截面线切割而成，当所述弯曲部的弧度为A°，弯头数量为X时，则单个所述弯头段的对应的弧度a＝(A/X)°；所述本体(1)的外径直径为D，内径为D-2t，其中18t≤D≤21t，2≤X≤10；排气管的左侧长度(L1)与排气管的右侧长度(L2)，由客户提出而定。

当所述弯曲部的弧度A°为90°，所述弯头数量X＝10时，则单个所述弯头段的弧度a＝9°，选壁厚t＝2mm时，则D＝36mm，内径为32mm；相应的焊缝数量为11。

当所述弯曲弧度A°为120°，所述弯头数量X＝4时，则弯头段的弧度a＝30°；选壁厚t＝2mm，则D＝44mm，内径为36mm；相应的焊缝数量为5。

S3，焊接，修磨好弯头的焊口，利用专用模具所述弯头排列，转移到氩弧焊箱使用智能焊机和同牌号的钛合金焊丝将多个的所述弯头逐一对接焊连接成排气管毛坯，所述排气管毛坯的内径尺寸和同心度符合批次尺寸要求；

S4，清理焊缝，清理所述气管毛坯的内外焊缝上附着的氧化物杂物，采用砂纸将外部焊缝打磨平整光亮，使用深孔机械臂进行内部焊缝珩磨；

S5，退火，采用真空炉进行退火处理，在抽真空度至0.2Pa-0.6Pa，对所述排气管毛坯进行去应力退火，其中去应力退火处理过程中的保温温度为550℃-580℃，保温1h-2h后在550℃环境中进行中心同心度校正，随炉冷却至≤70℃，取出进行空冷。

S6，检测，依据批次技术要求，进行探伤检测焊缝，并检测尺寸及公差是否符合技术要求，合格入库。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果包括：

1、本发明采用力学性能更优异的钛合金材料，并基于分割焊接成型工艺生产的车用钛合金排气管，排气管的整体强度和耐高温性能，得到了显著提高。

2、采用智能焊机避免了人工焊接存在的弯曲部焊接质量不一致的问题，也利于实现整体等强度设计方法来满足排气管减重的要求。

与一体折弯成型方法相比，一体折弯成型方法虽然省去了焊接工艺，但是在受大油门高温气浪的冲击载荷时弯曲部易疲劳破损的缺点；而本发明可承受0.5±0.2MPa瞬时交变脉冲载荷。

3、钛合金排气管不锈蚀，寿命更长，与汽车终生使用，而不锈钢排气管通常在2-3年就已经锈蚀，寿命一般5-7年左右。特别是对在盐雾环境下锈蚀后寿命不足1-2年。

4、相同型式的钛合金排气管与不锈钢、折弯工艺相比，钛合金排气管具有更高的强度和质量一致性，平均减重率在45％以上，减重效果非常明显。

附图说明

附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的轴向剖面示意图；

图3为本发明的弯头结构示意图；

图4为本发明的弯头轴向剖面示意图。

图中，A°--弯曲部的弧度、X--弯头的数量、a--单个弯头弧度、D--外径直径、t—管壁厚度、L1—排气管的左侧长度、L2—排气管的右侧长度、N—管弯头的序数。

具体实施方式

下面将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，并不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。本发明可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本发明透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本发明的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。

如图1-图4所示，清晰展示了本发明的一种高性能车用钛合金排气管的结构特征，下面就其实现过程，即加工工艺进行详细地叙述，具体包括以下步骤：

S1，备料，按照预设批次要求备料管壁厚为t的TC4钛合金直管材；

S2，线切割，将TC4钛合金直管材线切割成多个管弯头，所述弯头由钛合金直管按照倾斜横截面线切割而成，当所述弯曲部的弧度为A°，弯头数量为X时，则单个所述弯头段的对应的弧度a＝(A/X)°；

所述本体(1)的外径直径为D，内径为D-2t，其中18t≤D≤21t，2≤X≤10；

排气管的左侧长度L1与排气管的右侧长度L2相等或者不等，由客户提出；

当所述弯曲部的弧度A°为90°，所述弯头数量X＝10时，则单个所述弯头段的弧度a＝9°，选壁厚t＝2mm时，则D＝36mm，内径为32mm；相应的焊缝数量为11。

当所述弯曲弧度A°为120°，所述弯头数量X＝4时，则弯头段的弧度a＝30°；选壁厚t＝2mm，则D＝44mm，内径为36mm；相应的焊缝数量为5。

S3，焊接，在氩弧焊箱内充满氩气，使用智能焊机和同牌号的钛合金焊丝将多个已经修磨好焊口的所述弯头逐一对接焊连接成排气管毛坯，所述排气管毛坯的内径尺寸和同心度符合批次尺寸要求；

S4，清理焊缝，清理所述气管毛坯的内外焊缝上附着的氧化物杂物，采用砂纸将外部焊缝打磨平整光亮，使用深孔机械臂进行内部焊缝珩磨；

S5，退火，采用真空炉进行退火处理，在抽真空度至0.2Pa-0.6Pa，对清理焊缝后的所述钛合金排气管毛坯进行去应力退火处理，其中去应力退火处理过程中的保温温度为550℃-580℃，保温1h-2h后在550℃环境中进行中心同心度校正，冷却方式为随炉冷却至70℃以下后，取出进行空冷。

S6，检测，依据批次技术要求，进行探伤检测焊缝，并检测尺寸及公差是否符合技术要求，合格入库。

此外，本发明的钛合金排气管也可以采用纯钛或A2制造，性能与采用TC4钛合金等效替换。

至此，已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本发明的范围由所附权利要求来限定。