S32304双相不锈钢E2307-16焊条焊接工艺研究

刘玉祥 熊荣国

(森松(江苏)重工有限公司上海分公司，上海201323)

收稿日期：2021-07-21

作者简介：刘玉祥(1988—)，男，国际焊接工程师，主要从事压力容器焊接及热处理工艺工作。

双相不锈钢的组织由一定比例的铁素体相和奥氏体相组成，因此双相钢兼有铁素体和奥氏体不锈钢的力学性能特征，既有较高的强度，又具有良好的韧性[1]。S32304双相不锈钢的耐腐蚀性与316L不锈钢接近，且优于304L不锈钢，其屈服强度是304L、316L不锈钢两倍以上。S32304双相不锈钢具有氮合金化的特征，降低了镍元素，不刻意添加钼元素[2]，与S32205双相不锈钢相比，是一种具有经济性的双相不锈钢。S32304双相钢在海水淡化装置、工业磷酸行业、污水处理装置、桥梁建筑中得到了大量应用，以往S32304双相钢焊接采用2209型双相钢焊材，此焊材对于S32304双相钢为化学成分高匹配焊材，不具有经济性，因此进一步降低S32304双相钢焊接的焊材成本，具有一定的经济意义。

1 S32304性能介绍

S32304双相不锈钢满足ASME BPVC II.A SA-240-2019的要求，其化学成分及力学性能见表1、表2。

表1 SA-240 S32304化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of SA-240 S32304(mass fraction, %)

表2 SA-240 S32304力学性能Table 2 Mechanical properties of SA-240 S32304

2 E2307-16焊条介绍

E2307-XX焊条型号于2015年被收录ASME II卷C篇SFA 5.4标准中，在此之前S32304双相钢的焊接一直采用E2209-XX型号焊条焊接。虽然ASME标准已有E2307-XX焊条型号，但国内厂家对于E2307-XX焊条的生产基本处于空白。近年来，国内外经济型双相不锈钢的应用越来越普遍，出于焊材经济性的考虑，拟定与焊材厂家共同研发E2307焊条来替代高成本的E2209焊条，以降低制造成本。经与国内焊材厂家交流后，焊材厂家按我公司提供的技术要求进行前期样品研发，由我公司进行技术验证试验。焊材厂家生产出的焊条型号为E2307-16，该焊条焊芯成分为308L不锈钢，焊条药皮为钛钙型-酸性药皮，焊条药皮对熔敷金属有一定的合金过渡，E2307-16焊条满足ASME II卷C篇SFA 5.4标准要求，焊条熔敷金属化学成分如表3所示。

表3 E2307-16焊条熔敷金属化学成分(质量分数，%)Table 3 Chemical composition of E2307-16 electrode deposited metal (mass fraction, %)

3 试验过程

双相钢材料焊接性能受热输入量影响较大，热输入量过小，容易导致铁素体相比例偏高，焊接接头冲击韧性下降；热输入量过高，容易导致奥氏体相比例偏高，焊接接头的强度下降。通常情况下，横焊位置热输入量最低，立焊位置热输入量最高，为了全面验证E2307-16焊条的焊接工艺性能及力学性能，分别进行了横焊位置和立焊位置的焊接工艺评定试验。

3.1 坡口制备

试验采用SA-240 S32304板材，厚度为20 mm，坡口采用机械方法进行加工，具体坡口形式如图1所示。

图1 坡口形式Figure 1 Groove type

3.2 试板焊接

试板按照图1进行组对，为了减小焊接变形，试板组对时预制约5°的焊接反变形。焊条在使用前按照厂家推荐的烘干温度及时间进行烘干，焊条领用后放在保温桶内，并接上电源进行保温。试板焊接前，坡口及其两侧采用丙酮清洗，去除油污。试板正面焊接后，背面采用砂轮打磨清根，清根PT检测合格后，再进行背面焊接。焊接过程中道间温度控制150℃以内，每一道焊道焊后，采用可接触式测温枪进行测温，温度低于150℃方可进行焊接，具体施焊的焊接参数如表4所示。

表4 E2307-16的SMAW焊接规范参数Table 4 SMAW specification parameters for E2307-16

3.3 焊接成型

E2307-16焊条横焊、立焊位置焊缝成型如图2所示，该焊条焊后脱渣性良好，横焊位置焊缝成型美观，立焊位置由于自身焊接位置施焊难度的原因，焊后成型略差，但和以往立焊位置E2209-16焊条焊接成型相比，焊后成型基本相当。

(a)横焊位置

(b)立焊位置图2 焊接位置Figure 2 Welding position

3.4 无损检测

试板焊接后，按照ASME标准VIII-1分卷UW-51进行100%RT检测和按照APP.8进行100%PT检测，结果合格后进行理化试验。

4 理化试验

4.1 试验项目

焊接试板按照ASME IX卷《焊接、钎焊和粘接评定》进行了横向板形拉伸试验、侧向弯曲试验、冲击试验，冲击试样取样位置符合ASME标准VIII-1卷UG.84条款及API RP 582-2016的要求，另外，对工艺评定试验附加了宏观、硬度、铁素体、腐蚀等试验。

4.2 拉伸试验

横焊、立焊位置每块试板做2个拉伸试验，拉伸试样加工满足ASME标准第IX卷QW-462.1(a)图样要求，拉伸试验结果如表5所示，拉伸试验结果均大于S32304双相钢母材600 MPa抗拉强度下限值的要求。

表5 拉伸试验结果Table 5 Tensile test results

4.3 弯曲试验

横焊、立焊位置每块试板做4个侧向弯曲试验，侧向弯曲试样按ASME标准第IX卷QW-462.2图样要求加工，试样厚度T=10 mm，弯心直径D=4T，弯曲角度α=180°，试验结果显示均无裂纹。侧向弯曲试验的合格，证明焊接接头的致密性和塑性良好。

4.4 冲击试验

试板进行冲击试验，冲击试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm，试验温度-40℃，冲击取样位置按照ASME标准VIII-1卷UG.84要求，并按照API RP 582-2016标准11.3.6.3条款要求附加了T/2位置焊缝金属的冲击，冲击试验结果如表6所示。从表6的数据可以看出焊缝冲击吸收能量均大于34 J，侧向膨胀量均大于0.38 mm，满足标准及工程规范的要求。

表6 冲击试验结果Table 6 Impact test results

4.5 硬度试验

按照标准ASTM E92-2017《金属材料维氏硬度和努氏硬度的标准试验方法》对焊缝、热影响区、母材进行硬度检测，试板硬度值均不大于320HV10，具体硬度值如表7所示。

表7 硬度试验结果(HV10)Table 7 Hardness test results(HV10)

4.6 铁素体检测

铁素体检测按照标准ASTM E562-2011《用系统人工点计数法测定体积分数的试验方法》进行检测，其检测结果如表8所示，检测结果可以满足API RP 582-2016标准对焊缝30%～65%、热影响区40%～65%铁素体的要求。

表8 铁素体检测结果(体积分数，%)Table 8 Ferrite test results(volume fraction,%)

4.7 宏观金相

按照ASTM E340-2015《金属和合金宏观腐蚀的测试方法》进行了宏观金相试验，取焊缝截面试样，经打磨抛光后，用王水溶液浸蚀，在显微镜下对宏观金相试样10倍放大观察，焊缝金属与母材熔合良好，无裂纹、未熔合、未焊透等缺陷，宏观金相组织如图3所示。

(a)横焊位置(b)立焊位置

4.8 腐蚀试验

对焊接接头按照ASTM A1084-2015a《经济型双相奥氏体铁素体不锈钢有害相检测方法》标准方法C进行腐蚀试验，将腐蚀试样置于25℃恒温的三氯化铁-硝酸钠溶液中腐蚀24 h，取出后清洁称重，计算腐蚀率并观察表面腐蚀状况，试验结果如表9所示，试样腐蚀前后表面宏观形貌如图4所示。

表9 腐蚀试验结果Table 9 Corrosion test results

(a)横焊位置腐蚀前(b)立焊位置腐蚀前(c)横焊位置腐蚀后(d)立焊位置腐蚀后

5 经济性分析

E2307-16焊条与E2209焊条相比，大量降低了钼元素的使用。如果E2307-16焊条批量生产后，对比焊材厂家生产的E2209焊条，每吨焊材成本可降低约20%。近年来，我国制造行业人工成本始终在增长，随国际铁矿石价格的上涨以及合金元素价格的上涨，导致原材料的价格也随之上涨，在国际市场的竞争中，利润处于下滑状态。S32304双相不锈钢采用E2307-16焊条焊接，可以节约焊材成本，增加竞争优势。

6 结束语

(1)从本文的各项试验数据可以看出，S32304双相不锈钢采用E2307-16焊条焊接，其拉伸、弯曲、冲击、硬度、铁素体、腐蚀等试验均能满足标准要求及工程规范的要求。本次试验厂家的E2307-16焊条具有良好的脱渣性和焊缝成型以及宏观试验结果均证明了该焊材工艺性能的可靠。

(2)S32304双相不锈钢采用E2307-16焊条焊接可降低焊材成本。