UNS S32304双相不锈钢焊接工艺

王逸霄

（西南石油大学材料科学与工程学院，四川新都610500）

UNS S32304双相不锈钢焊接工艺

王逸霄

（西南石油大学材料科学与工程学院，四川新都610500）

S32304双相不锈钢综合了铁素体和奥氏体有益的性能，其焊接工艺与常规不锈钢材料的焊接有所不同，通过改进坡口形式，采用不对称X型坡口，尽可能采用小的焊接电流和较快的焊接速度。为了减少并防止焊缝和热影响区生成单相或数量较多的铁素体组织和晶粒粗大，采用窄焊缝薄层焊，控制层间温度小于100℃，有效减少了热量输入，解决了双相不锈钢现场焊接的难题，确保双向不锈钢在施工现场复杂环境情况下进行焊接，获得优异的耐腐蚀性能和机械性能。

双相不锈钢；焊接工艺；窄间隙薄层焊；层间温度

0 前言

双相不锈钢现场焊接技术主要应用于建筑领域。传统的奥氏体不锈钢对局部腐蚀方面的抗力不足，如缝隙腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀等，其中由于应力腐蚀所引起的断裂具有极大的危害性。双相不锈钢作为近年来研发的新型钢种，通过正确控制各合金元素比例和热处理工艺使其固溶组织有40％～50％铁素体和50％～60％奥氏体[1]，从而综合了两者的各项优异性能，因此双相不锈钢同时具有高强度与高韧性以及优良的焊接性与耐氯化物应力腐蚀性。目前双相不锈钢大量用于纸浆和造纸业、石油化工、苛性碱溶液、有机酸（抗SCC）、食品工业、压力容器（减轻重量）、采矿业（磨蚀/腐蚀）等行业中。为保证施工现场双相钢的焊接质量，在此对双相钢的现场焊接工艺进行探索和研究。

1 工艺试验材料特性

试验用S32304双向不锈钢为芬兰制造，固溶处理温度约1000℃，组织内铁素体与奥氏体含量之比约为4∶6，它兼有奥氏体和铁素体各项优异性能，在抗氯离子及硫化物应力腐蚀方面有优良的抵抗能力；同时具备较高的机械强度，性价比较高，能够代替304L和316L常用奥氏体不锈钢[2]，美国标准为UNS S32304。

目前双相不锈钢大量用于纸浆和造纸、石油化工、苛性碱溶液、有机酸（抗SCC）、食品工业、压力容器（减轻重量）、采矿（磨蚀/腐蚀）等行业中。

2 焊接工艺试验

2.1 焊接性能

现场焊接设备质量由焊接工艺评定参数决定，焊接工艺的确定要通过多次进行试件焊接、检验试验来确定。焊接过程中焊缝冷却速度受材料厚度、层间温度、焊接热源以及预热直接影响，而冷却速度决定了焊缝和焊接热影响区的组织和性能。焊后热处理对层间温度没有限制要求，一般而言双相钢焊接时不需要预热，为避免脆化温度带对焊件质量造成影响，因此焊后有必要加快冷却速度[3-4]。进行了冲击试验、焊接接头拉伸试验、弯曲试验等研究[5]。

S32304材料化学成分和力学性能如表1、表2所示。

表1 S32304钢的化学成分％

表2 S32304钢的力学性能

2.2 焊接工艺确定

（1）试验用芬兰提供的14mm厚板。预定焊接工艺为：GTAW打底，SMAW盖面，V型带钝边的焊接工艺试验。通过对两组试件按该预制焊接工艺焊接后，进行无损探伤检测发现存在未焊透、夹钨等现象，质量不合格。

（2）在试验现场，与技术人员、焊接作业人员一起分析焊接缺陷，决定改进焊接方式和坡口型式，采用焊条电弧焊，将V型带钝边坡口改为不对称X型坡口型式。

（3）焊材选择原则为等强匹配，由安德里兹提供的，焊条选用为E2209-16，其化学成分如表3、表4所示。

表3 E2209-16（φ2.5 mm）化学成分％

表4 E2209-16（φ3.2 mm）化学成分％

（4）试验用设备为WS-500型逆变焊机。

2.3 焊接工艺参数

改进后的SMAW焊接工艺参数如表5所示。

表5 焊接工艺参数

2.4 坡口加工型式和试件组对要求

不对称X型坡口和试板组对要求如图1所示。

2.5 过程控制

（1）试件加工完成后，按坡口加工图检查加工件，尺寸、坡口角度应与图要求一致，单面坡口控制在约30°，并将焊接坡口两侧20 mm内打磨掉外表氧化皮、油污等杂物，露出金属光泽，试板对接间隙要求控制在2～4 mm以内，试件组对时应严格控制间隙，间隙过小会致根部产生未熔合现象，间隙过大会增加焊接难度。根部定位焊缝的工艺应与正式焊接时相同，定位焊完成后，要仔细检查定位焊缝，如发现有气孔等缺陷，及时用角磨机磨除，重新点焊。

图1 坡口加工

（2）焊条在使用前经320℃～350℃烘焙2 h后100℃～120℃保温待用。

（3）采用多层焊，背面两道电弧焊接，正面打底焊、背面两道电弧焊接接和一道盖面焊接，尽量采用较小的焊接电流和较快的焊接速度，采用窄焊缝薄层焊，层间温度小于100℃，施焊过程中焊条不作横向摆动。

3 试验结果

3.1 焊缝外观质量

焊缝正面宽度17.6～19.2mm，宽窄差1.6mm，正面高度1.5～2.1 mm，正面高度差0.6 mm；焊缝背面宽度12.5～13.95 mm，宽窄差1.45 mm，背面焊缝高度均为1.2～1.6 mm，焊缝高低差0.4 mm。正面和背面焊缝无外观缺陷，焊缝外观检查结果合格。焊接接头采用射线探伤，按JB4730标准评定为合格。

3.2 力学性能试验

通过试验，检测铁素体含量均达到40％，机械性能试验全部合格，力学性能试验：拉伸、弯曲、冲击试验均合格，实验数据报告分别如表6～表8所示。

表6 拉伸试验报告（编号：SCT/C/14-3749-5）

表7 弯曲试验报告（编号：SCT/C/14-3749-5）

表8 冲击试验报告（编号：SCT/C/14-3749-5）

4 工艺试验分析及总结

4.1 焊接试验工艺分析

（1）双相不锈钢焊接工艺不同于常规不锈钢材料的焊接，在试验过程中，按GB/T985.1-2008推荐坡口规范采用带钝边的V型坡口，焊接试件经无损探伤发现产生缺陷，不合格。通过调整坡口形式，采用不对称X型坡口，既减少熔敷金属量，又有效减少了热量输入，并利用后续焊道对前层焊道的热处理作用提高焊接质量。

（2）对试件进行焊接时，如果焊接线能量过小，会导致焊缝热输入的不足，使焊缝冷却速度过快，高温铁素体生成量降低，焊接热影响区相位平衡因此而破坏，导致双相钢接头的耐蚀性能及韧性下降。

（3）焊接线能量过大，易导致熔池面积扩大，产生过多的飞溅和烟雾，焊件变形量增大，同时由于冷却速度过慢易生成低熔点共晶相，致使双相钢接头的耐蚀性及韧性下降。

（4）双相钢焊接应控制层间温度在100℃以下，最高不超过150℃。

（5）选择合适尺寸的焊条，其直径不宜过大，避免焊接过程中摇晃，以保证电弧沿直线稳定而快速地移动。

4.2 工艺应用总结

某公司将该工艺运用于某国外制浆项目芬兰提供的S32304双相不锈钢制蒸煮器、浆塔类设备现场焊接施工中，所有设备焊接一次合格率达到99％。根据实践，在保证焊接质量的前提下尽可能采用较快的焊接速度和较小的焊接电流；为尽量避免焊缝和热影响区生成单相或较多的铁素体组织和晶粒粗大，采用窄焊缝薄层焊，层间温度小于100℃，施焊过程中焊条不允许作横向摆动。按照小电流多道焊工艺，实现其优异的机械性能和耐腐蚀性能[6]。

5 结论

双相不锈钢焊接现场焊接技术的使用，解决了双相不锈钢现场焊接的难题，可以促进双相不锈钢在工程上的大量使用。双相不锈钢除具有很强的各类抗腐蚀性能之外，还具有很好的强度和韧性，在我国的石油、化工、造纸等行业应用较多，是改善传统不锈钢的有效途径。双相不锈钢焊接工艺研究结果为双相不锈钢在施工现场复杂环境情况下焊接工艺的制订奠定了基础。

[1]吕骥.奥氏体/铁素体双相不锈钢特性及应用[A].压力管道技术研究进展精选集——第四届全国管道技术学术会议[C].2010.

[2]何天荣.双相不锈钢及其特殊性能与应用[J].南方金属，2005（01）：56.

[3]国家能源局,承压设备焊接工艺评定[S].

[4]陈祝年.焊接工程师手册[M].北京：机械工业出版社，2010.

Research on the technology of S32304 UNS duplex stainless steel welding

WANG Yixiao
（College of Materials Science and Engineering，Southwest Petroleum University，Xindu 610500，China）

S32304 duplex stainless steel composite ferrite and austenite beneficial properties，the performance of the welding process are different from conventional welding stainless steel material，by improving the form of groove，using asymmetric X groove，as far as possible use small welding current and welding speed faster.In order to reduce and prevent the welding seam and heat affected zone of single-phase organization and coarse grains or more number of ferrite，the narrow seam welding thin layer，control layer between the temperature less than 100℃，effectively reduce the heat input，solve the problem of the scene of the duplex stainless steel welding，to ensure that the two-way stainless steel in the construction site welding under complex environmental condition，with excellent corrosion resistance and mechanical properties.

duplex stainless steel；welding process；narrow seam welding thin layer；interpass temperature

TG457.11

A

1001-2303（2015）08-0225-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.08.49

2015-07-15

王逸霄（1992—），男，四川德阳人，主要从事金属材料冶炼性能的研究。