S32304雙相不銹鋼E2307-16焊條焊接工藝研究

劉玉祥 熊榮國

(森松(江蘇)重工有限公司上海分公司，上海201323)

收稿日期：2021-07-21

作者簡介：劉玉祥(1988—)，男，國際焊接工程師，主要從事壓力容器焊接及熱處理工藝工作。

雙相不銹鋼的組織由一定比例的鐵素體相和奧氏體相組成，因此雙相鋼兼有鐵素體和奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能特征，既有較高的強(qiáng)度，又具有良好的韌性[1]。S32304雙相不銹鋼的耐腐蝕性與316L不銹鋼接近，且優(yōu)于304L不銹鋼，其屈服強(qiáng)度是304L、316L不銹鋼兩倍以上。S32304雙相不銹鋼具有氮合金化的特征，降低了鎳元素，不刻意添加鉬元素[2]，與S32205雙相不銹鋼相比，是一種具有經(jīng)濟(jì)性的雙相不銹鋼。S32304雙相鋼在海水淡化裝置、工業(yè)磷酸行業(yè)、污水處理裝置、橋梁建筑中得到了大量應(yīng)用，以往S32304雙相鋼焊接采用2209型雙相鋼焊材，此焊材對于S32304雙相鋼為化學(xué)成分高匹配焊材，不具有經(jīng)濟(jì)性，因此進(jìn)一步降低S32304雙相鋼焊接的焊材成本，具有一定的經(jīng)濟(jì)意義。

1 S32304性能介紹

S32304雙相不銹鋼滿足ASME BPVC II.A SA-240-2019的要求，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1、表2。

表1 SA-240 S32304化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of SA-240 S32304(mass fraction, %)

表2 SA-240 S32304力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of SA-240 S32304

2 E2307-16焊條介紹

E2307-XX焊條型號于2015年被收錄ASME II卷C篇SFA 5.4標(biāo)準(zhǔn)中，在此之前S32304雙相鋼的焊接一直采用E2209-XX型號焊條焊接。雖然ASME標(biāo)準(zhǔn)已有E2307-XX焊條型號，但國內(nèi)廠家對于E2307-XX焊條的生產(chǎn)基本處于空白。近年來，國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼的應(yīng)用越來越普遍，出于焊材經(jīng)濟(jì)性的考慮，擬定與焊材廠家共同研發(fā)E2307焊條來替代高成本的E2209焊條，以降低制造成本。經(jīng)與國內(nèi)焊材廠家交流后，焊材廠家按我公司提供的技術(shù)要求進(jìn)行前期樣品研發(fā)，由我公司進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)。焊材廠家生產(chǎn)出的焊條型號為E2307-16，該焊條焊芯成分為308L不銹鋼，焊條藥皮為鈦鈣型-酸性藥皮，焊條藥皮對熔敷金屬有一定的合金過渡，E2307-16焊條滿足ASME II卷C篇SFA 5.4標(biāo)準(zhǔn)要求，焊條熔敷金屬化學(xué)成分如表3所示。

表3 E2307-16焊條熔敷金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Chemical composition of E2307-16 electrode deposited metal (mass fraction, %)

3 試驗(yàn)過程

雙相鋼材料焊接性能受熱輸入量影響較大，熱輸入量過小，容易導(dǎo)致鐵素體相比例偏高，焊接接頭沖擊韌性下降；熱輸入量過高，容易導(dǎo)致奧氏體相比例偏高，焊接接頭的強(qiáng)度下降。通常情況下，橫焊位置熱輸入量最低，立焊位置熱輸入量最高，為了全面驗(yàn)證E2307-16焊條的焊接工藝性能及力學(xué)性能，分別進(jìn)行了橫焊位置和立焊位置的焊接工藝評定試驗(yàn)。

3.1 坡口制備

試驗(yàn)采用SA-240 S32304板材，厚度為20 mm，坡口采用機(jī)械方法進(jìn)行加工，具體坡口形式如圖1所示。

圖1 坡口形式Figure 1 Groove type

3.2 試板焊接

試板按照圖1進(jìn)行組對，為了減小焊接變形，試板組對時預(yù)制約5°的焊接反變形。焊條在使用前按照廠家推薦的烘干溫度及時間進(jìn)行烘干，焊條領(lǐng)用后放在保溫桶內(nèi)，并接上電源進(jìn)行保溫。試板焊接前，坡口及其兩側(cè)采用丙酮清洗，去除油污。試板正面焊接后，背面采用砂輪打磨清根，清根PT檢測合格后，再進(jìn)行背面焊接。焊接過程中道間溫度控制150℃以內(nèi)，每一道焊道焊后，采用可接觸式測溫槍進(jìn)行測溫，溫度低于150℃方可進(jìn)行焊接，具體施焊的焊接參數(shù)如表4所示。

表4 E2307-16的SMAW焊接規(guī)范參數(shù)Table 4 SMAW specification parameters for E2307-16

3.3 焊接成型

E2307-16焊條橫焊、立焊位置焊縫成型如圖2所示，該焊條焊后脫渣性良好，橫焊位置焊縫成型美觀，立焊位置由于自身焊接位置施焊難度的原因，焊后成型略差，但和以往立焊位置E2209-16焊條焊接成型相比，焊后成型基本相當(dāng)。

(a)橫焊位置

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

3.4 無損檢測

試板焊接后，按照ASME標(biāo)準(zhǔn)VIII-1分卷UW-51進(jìn)行100%RT檢測和按照APP.8進(jìn)行100%PT檢測，結(jié)果合格后進(jìn)行理化試驗(yàn)。

4 理化試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)項(xiàng)目

焊接試板按照ASME IX卷《焊接、釬焊和粘接評定》進(jìn)行了橫向板形拉伸試驗(yàn)、側(cè)向彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)，沖擊試樣取樣位置符合ASME標(biāo)準(zhǔn)VIII-1卷UG.84條款及API RP 582-2016的要求，另外，對工藝評定試驗(yàn)附加了宏觀、硬度、鐵素體、腐蝕等試驗(yàn)。

4.2 拉伸試驗(yàn)

橫焊、立焊位置每塊試板做2個拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣加工滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)第IX卷QW-462.1(a)圖樣要求，拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，拉伸試驗(yàn)結(jié)果均大于S32304雙相鋼母材600 MPa抗拉強(qiáng)度下限值的要求。

表5 拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Tensile test results

4.3 彎曲試驗(yàn)

橫焊、立焊位置每塊試板做4個側(cè)向彎曲試驗(yàn)，側(cè)向彎曲試樣按ASME標(biāo)準(zhǔn)第IX卷QW-462.2圖樣要求加工，試樣厚度T=10 mm，彎心直徑D=4T，彎曲角度α=180°，試驗(yàn)結(jié)果顯示均無裂紋。側(cè)向彎曲試驗(yàn)的合格，證明焊接接頭的致密性和塑性良好。

4.4 沖擊試驗(yàn)

試板進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，沖擊試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，試驗(yàn)溫度-40℃，沖擊取樣位置按照ASME標(biāo)準(zhǔn)VIII-1卷UG.84要求，并按照API RP 582-2016標(biāo)準(zhǔn)11.3.6.3條款要求附加了T/2位置焊縫金屬的沖擊，沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。從表6的數(shù)據(jù)可以看出焊縫沖擊吸收能量均大于34 J，側(cè)向膨脹量均大于0.38 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)及工程規(guī)范的要求。

表6 沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Impact test results

4.5 硬度試驗(yàn)

按照標(biāo)準(zhǔn)ASTM E92-2017《金屬材料維氏硬度和努氏硬度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》對焊縫、熱影響區(qū)、母材進(jìn)行硬度檢測，試板硬度值均不大于320HV10，具體硬度值如表7所示。

表7 硬度試驗(yàn)結(jié)果(HV10)Table 7 Hardness test results(HV10)

4.6 鐵素體檢測

鐵素體檢測按照標(biāo)準(zhǔn)ASTM E562-2011《用系統(tǒng)人工點(diǎn)計(jì)數(shù)法測定體積分?jǐn)?shù)的試驗(yàn)方法》進(jìn)行檢測，其檢測結(jié)果如表8所示，檢測結(jié)果可以滿足API RP 582-2016標(biāo)準(zhǔn)對焊縫30%～65%、熱影響區(qū)40%～65%鐵素體的要求。

表8 鐵素體檢測結(jié)果(體積分?jǐn)?shù)，%)Table 8 Ferrite test results(volume fraction,%)

4.7 宏觀金相

按照ASTM E340-2015《金屬和合金宏觀腐蝕的測試方法》進(jìn)行了宏觀金相試驗(yàn)，取焊縫截面試樣，經(jīng)打磨拋光后，用王水溶液浸蝕，在顯微鏡下對宏觀金相試樣10倍放大觀察，焊縫金屬與母材熔合良好，無裂紋、未熔合、未焊透等缺陷，宏觀金相組織如圖3所示。

(a)橫焊位置(b)立焊位置

4.8 腐蝕試驗(yàn)

對焊接接頭按照ASTM A1084-2015a《經(jīng)濟(jì)型雙相奧氏體鐵素體不銹鋼有害相檢測方法》標(biāo)準(zhǔn)方法C進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，將腐蝕試樣置于25℃恒溫的三氯化鐵-硝酸鈉溶液中腐蝕24 h，取出后清潔稱重，計(jì)算腐蝕率并觀察表面腐蝕狀況，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示，試樣腐蝕前后表面宏觀形貌如圖4所示。

表9 腐蝕試驗(yàn)結(jié)果Table 9 Corrosion test results

(a)橫焊位置腐蝕前(b)立焊位置腐蝕前(c)橫焊位置腐蝕后(d)立焊位置腐蝕后

5 經(jīng)濟(jì)性分析

E2307-16焊條與E2209焊條相比，大量降低了鉬元素的使用。如果E2307-16焊條批量生產(chǎn)后，對比焊材廠家生產(chǎn)的E2209焊條，每噸焊材成本可降低約20%。近年來，我國制造行業(yè)人工成本始終在增長，隨國際鐵礦石價格的上漲以及合金元素價格的上漲，導(dǎo)致原材料的價格也隨之上漲，在國際市場的競爭中，利潤處于下滑狀態(tài)。S32304雙相不銹鋼采用E2307-16焊條焊接，可以節(jié)約焊材成本，增加競爭優(yōu)勢。

6 結(jié)束語

(1)從本文的各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，S32304雙相不銹鋼采用E2307-16焊條焊接，其拉伸、彎曲、沖擊、硬度、鐵素體、腐蝕等試驗(yàn)均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求及工程規(guī)范的要求。本次試驗(yàn)廠家的E2307-16焊條具有良好的脫渣性和焊縫成型以及宏觀試驗(yàn)結(jié)果均證明了該焊材工藝性能的可靠。

(2)S32304雙相不銹鋼采用E2307-16焊條焊接可降低焊材成本。