焊接工藝評定技巧

田小丹

江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院昆山分院，中國·江蘇 昆山 215316

特種設備；焊接工藝評定；熱處理；試件

1 引言

焊接在特種設備制造中是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，每道焊縫必須由持證焊工按既定的焊接工藝文件中的工藝參數(shù)施焊，而編制焊接工藝規(guī)程的依據(jù)則是合格的焊接工藝評定。焊接工藝評定是一個特種設備制造單位的焊接支撐，體現(xiàn)了焊接責任人的素質(zhì)。焊接工藝評定并不是數(shù)量越多越好，焊接工藝評定的原則應該是用盡量少的評定數(shù)量覆蓋盡量多的焊件，對接焊縫在已定焊接方法的前提下制作焊接工藝評定有以下技巧。

2 母材的選擇

特種設備制造中常用的焊接方法有鎢極氣體保護焊、手工電弧焊、埋弧焊、等離子焊和熔化極氣體保護焊。對這幾種焊接方法，NB/T47014《承壓設備焊接工藝評定》規(guī)定Fe-1～Fe-5A 類別的母材進行焊接工藝評定時，高類別號的母材相焊的焊評能覆蓋該類別與低類別母材異種鋼相焊的焊接[1]。將母材進行分類的目的是減少焊接工藝評定的數(shù)量，分類分組的準則是當重要因素不變時，焊接接頭力學性能相同。所以JB4708-2000《鋼制壓力容器焊接工藝評定》就依據(jù)焊接工藝評定標準原理，從母材的化學成分、使用性能和焊接性能出發(fā)，將母材分類分組，并規(guī)定了替代規(guī)則，NB/T47014《承壓設備焊接工藝評定》延續(xù)并做了部分調(diào)整[2]。同種鋼相焊的焊接工藝評定，選擇類別號高的母材做評定優(yōu)于類別號低的，所謂評高不評低原則。同類別號時，高組別號母材合格的焊評，適用于該組別號與低組別號母材相焊。類似的，同類別號同種鋼相焊，選高組別號母材做評定，覆蓋范圍更大。在焊接能力許可的條件下，制造單位應盡量選用高類別、高組別號的母材做焊接工藝評定。例如，有耐熱合金鋼產(chǎn)品的單位，常用的材料有15CrMo、15CrMoR、14Cr1Mo（三種都是Fe-4-1 鋼號）和12CrMoV、12CrMoVR(兩種都是Fe-4-2 鋼號)。做焊接工藝評定選擇12CrMoV(Fe-4-2)母材，則該焊評適用于Fe-4-2 材料相焊，也適合Fe-4-2 與Fe-4-1 異種鋼相焊的焊縫。

兩類（組）別號母材之間相焊，焊接工藝評定合格，也適用于這兩類（組）別母材各自相焊。所以選用不同類別、高組別號的兩種母材，相焊做焊接工藝評定，可以覆蓋更多的焊件母材，如12CrMoV(Fe-4-2)與20MnNiMo（Fe-3-3）相焊的焊評。不僅適用于Fe-4-2 與Fe-3-3 類別號母材之間相焊的焊件，還可以覆蓋Fe-4-2、Fe-3-3 類別的母材各自相焊。

多腔容器各腔介質(zhì)不同，材質(zhì)也不同，如夾套反應釜，內(nèi)筒有防腐要求用奧氏體不銹鋼板S30408（Fe-8-1），夾套介質(zhì)水蒸汽用Q345R（Fe-1-2）板材，兩腔連接處是常見的異種鋼焊接接頭。采用手工電弧焊；S30408 與Q345R 相焊；焊條牌號A312 的焊接工藝評定編制焊卡。按NB/T47014 母材的評定原則，這個焊評不僅適用S30408 與Q345R 相焊的焊件，也適用于S30408 與S30408，Q345R 與Q345R 相焊的焊縫，前提是不變更填充金屬。但A312 焊條的價格是J507（Q345R 常用焊條）的3.3 倍、是A102（S30408 常用焊條）的1.1 倍，此設備容積超過四十立方。焊接工藝評定規(guī)則雖然允許覆蓋，但基于焊接工藝性和成本考慮，這臺夾套反應釜的焊接工藝指導書還是選擇了三個焊接工藝評定做支撐。實際應用中應該結(jié)合具體產(chǎn)品從經(jīng)濟性、實用性出發(fā)，衡量焊接工藝評定的指導生產(chǎn)作用。

3 填充金屬的選擇

填充金屬的評定規(guī)則允許抗拉強度級別高的填充金屬替代低的填充金屬施焊Fe-1、Fe-3 類母材。一方面，強度高的材料通常塑性指標會差，實際中焊接接頭致?lián)p大多不是由于強度不足，而是韌性不夠。選擇填充金屬應是強度略低于母材、韌性相近。在滿足使用要求的條件下，盡量選用工藝性能好、成本低、效率高的焊接材料。另一方面，焊接工藝評定是特種設備制造方，由本公司焊接人員，用本公司設備和常用材料施焊并制取試樣以驗證本公司常用制造工藝性能的評價。特定焊接方法下，每種母材對應的焊接填充金屬對于本公司已是習慣性選擇，這樣的固定搭配有利于焊接人員作業(yè)和也有利于物資部門采購。因此，實際生產(chǎn)中較少有焊接工藝指導書會變更工藝評定中的填充金屬，所以研究填充金屬變更覆蓋范圍實用意義不大。

4 焊后熱處理

NB/T47014 規(guī)定：低于下轉(zhuǎn)變溫度的焊后熱處理，試件保溫時間不得少于制造過程中焊件累計保溫時間的80%。低于下轉(zhuǎn)變溫度的焊后熱處理保溫超過一定時間后，焊縫的焊接殘余應力并不隨著保溫時間延長而降低[3]，而且保溫時間的增加，焊接接頭的抗拉強度反而降低[4]。所以進行退火熱處理的焊評試件，保溫時間應盡量長，至少要兩倍于今后實際生產(chǎn)的預計熱處理時間。這是因為生產(chǎn)制造過程中有些特殊情況：①可能產(chǎn)生熱處理后返修；②可能有整體熱處理要求的設備進行分段熱處理，搭接處則是經(jīng)過了兩次熱處理。這樣的焊縫累計保溫都是兩倍熱處理時間。如果焊接工藝評定時熱處理保溫時間不夠長，就失去了實用價值。并且焊后熱處理時間長的試件檢驗合格，力學性能較高的實際焊接工藝施焊的接頭質(zhì)量更有保障。

某公司生產(chǎn)一臺液化石油氣儲罐，要求焊后整體熱處理。制作單位因為無熱處理爐，分包給有資質(zhì)熱處理公司，熱處理工藝也由分包方提供。分包方根據(jù)此儲罐Q345R 材質(zhì)，殼體厚度14mm，按NB/T47015《壓力容器焊接規(guī)程》推薦規(guī)范熱處理時間約36 分鐘[5]。再考慮到組合焊縫連接的接頭中，熱處理厚度應為角焊縫厚度和對接焊縫厚度中的較大值，熱處理時間應適當增加。而且分包公司的熱處理爐非常大，還有另外兩臺容器同爐熱處理，所以決定做溫度600℃±20℃，保溫時間1 小時的退火熱處理。制造單位熱處理責任人在未于焊接責任人員溝通的情況下同意了該工藝，等設備做完熱處理拉回制造單位做水壓試驗時檢驗責任人才發(fā)現(xiàn)問題：此臺設備引用的焊接工藝評定熱處理時間只有40分鐘，不能覆蓋產(chǎn)品焊縫。查找該公司所有焊評，熱處理的保溫時間最長只有40 分鐘，焊接責任人在制作工藝評定時對熱處理時間未保留余量。最終只能將此臺設備焊接所涉及的工藝評定增加熱處理時間再重新做一遍。

5 試件厚度

焊接作業(yè)指導書引用焊評一定要能覆蓋產(chǎn)品母材厚度，否則易引發(fā)質(zhì)量事故。常規(guī)對接焊縫只要注意到有無沖擊試驗要求，焊件母材厚度適用范圍會有變化，一般就不會發(fā)生錯誤。只要母材的材料標準有沖擊試驗指標，焊接工藝評定就應該做沖擊試驗，在隨后制定的焊接工藝規(guī)程里再區(qū)分有無沖擊試驗要求的母材適用厚度。做焊評盡量選評定規(guī)則的上下限母材厚度，如6mm，10mm，20mm，38mm，可實現(xiàn)最大產(chǎn)品厚度覆蓋，焊評可以做的少而精。

實際生產(chǎn)中經(jīng)常有不等厚對接焊縫，如將接管插入筒體的D 類焊縫，接管與法蘭連接的C 類焊縫等，如圖1所示。

圖1 不等厚對接焊縫示意圖

此類焊縫母材有接管、筒體和鍛件，厚度范圍大而且不同厚度組合眾多。如果模擬不等厚焊接接頭做工藝評定，數(shù)量很多。NB/T47014 第6.1.5.3 條，表9中第4 項用等厚對接焊縫試件來評定不等厚對接焊縫焊件，就是在保障安全的基礎(chǔ)上對該類焊縫規(guī)定進行了放寬。這類焊件選擇焊接工藝評定時關(guān)注的重點不是焊縫金屬厚度，而應是使用母材厚度的有效范圍。用等厚對接焊縫試件評定簡潔經(jīng)濟。

對于不銹鋼、Ti、Ni 等有色金屬，沒有沖擊試驗要求。試件母材厚度6mm 就可以覆蓋1.5mm 以上的不等厚對接焊縫焊件，也就是說只要這一個焊接工藝評定就可以滿足絕大部分焊接生產(chǎn)。

對于類別號為Fe-8Ti-1Ti-2Ni-1Ni-2Ni-3Ni-4Ni-5 以外的材料，做試件母材厚度38mm 的評定。有沖擊試驗要求的材料，能覆蓋16mm～200mm 焊件母材；無沖擊試驗要求的，可覆蓋5mm～200mm 焊件母材，不等厚接頭厚側(cè)母材厚度基本位于此范圍。再選擇一個5mm 厚度母材做焊評，有沖擊試驗要求材料適用2.5mm～10mm 厚度焊件；無沖擊試驗要求的材料適用1.5mm～10mm 厚度焊件。兩個焊接工藝評定即可滿足不等厚對接焊接生產(chǎn)需要。

一些特殊條件，如焊后熱處理超過上轉(zhuǎn)變溫度的，試件焊道厚度超過13mm 的，短路過渡的CO2 氣體保護焊等，NB/T47014 表10對焊評適用焊件的最大厚度增加了約束，編制焊接工藝規(guī)程時應加以注意，防止違規(guī)。

6 產(chǎn)品要求

雖然NB/T47014 標準明文規(guī)定：某一母材評定合格后，同類別同組別的母材不需要再做焊接工藝評定，但是有些情況即使母材同類別同組別也不能自動覆蓋，應加以重視。曾有一家壓力容器制造單位，打算生產(chǎn)一臺符合GB/T150-2011《壓力容器》標準要求的設備，殼體材料16MnDR（Fe-1-2），厚度16mm，設計溫度-40℃。做焊接作業(yè)指導文件時，準備引用同類別同組別的母材為Q345R、厚度同樣是16mm的評定。但監(jiān)檢人員提出異議：該焊接工藝評定只做了0℃的沖擊試驗，依據(jù)母材鋼板Q345R 的制造標準GB713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》要求[6]和焊接工藝評定沖擊試驗溫度應不高于鋼材標準規(guī)定沖擊試驗溫度[7]，沖擊試驗溫度0℃沒問題。但計劃生產(chǎn)的設備屬于低合金鋼低溫容器，建造標準GB/T150-2011 對低溫容器焊接工藝有規(guī)定：沖擊試驗溫度應不高于圖樣要求的試驗溫度?，F(xiàn)有的0℃沖擊試驗溫度顯然不能滿足設計-40℃的要求。而且對于低溫容器需要逐臺制備A 類焊接接頭的產(chǎn)品試板，并按設計文件要求的溫度做沖擊試驗[8]，用只做了0℃沖擊試驗的Q345R焊接工藝評定指導焊接操作，一旦產(chǎn)品試件不合格，設備只能降級使用，風險較大。所以焊接工藝的選擇，即使完全符合NB/T47014 標準條款要求，也要留心產(chǎn)品建造標準有無附加規(guī)定，否則會影響生產(chǎn)、造成損失。