幾種典型焊接工藝評(píng)定分析

張 霞，曹彬彬

(泰安市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，山東 泰安 271000)

1 前 言

焊接作為特種設(shè)備生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其質(zhì)量控制方式層層相扣，從焊接材料、焊工作業(yè)資格到焊接工藝評(píng)定、焊接工藝實(shí)施均有嚴(yán)格的要求。其中焊接工藝評(píng)定是為驗(yàn)證所擬定的焊件焊接工藝的正確性而進(jìn)行的試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果評(píng)價(jià)。

壓力容器制造中，焊接工作量約占30%～40%，焊接成本約占?jí)毫θ萜髦圃炜偝杀镜?0%～50%。焊接工藝評(píng)定更是焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)質(zhì)量控制的一個(gè)重要步驟和環(huán)節(jié)[1]。焊接是壓力容器制造生產(chǎn)中一個(gè)比較復(fù)雜的環(huán)節(jié)，涉及到的內(nèi)容較多，其中焊接工藝是較為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，會(huì)直接對(duì)壓力容器的最終使用質(zhì)量造成影響，所以要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，具體可以通過(guò)工藝評(píng)定的方式來(lái)對(duì)焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化和改良[2]。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中的焊接工藝評(píng)定方法有5種，現(xiàn)在AWS D1.1《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》已廣泛運(yùn)用“焊接經(jīng)驗(yàn)”來(lái)進(jìn)行工藝評(píng)定，另一種新趨勢(shì)是AWS B2.1推出的標(biāo)準(zhǔn)焊接工藝規(guī)程，近年來(lái)得到大力推廣[3]。國(guó)內(nèi)的承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在執(zhí)行NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)。承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定根據(jù)母材分類分組、填充材料、焊接方法及母材壁厚[4]不同可以組合出成百上千種的焊接工藝評(píng)定。此種焊接工藝評(píng)定方法運(yùn)用時(shí)過(guò)于繁瑣，在重新修訂標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮成本節(jié)約、能源損失小的方向，同時(shí)對(duì)應(yīng)應(yīng)當(dāng)考慮焊接質(zhì)量與安全級(jí)別。

根據(jù)承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定給定的評(píng)定方法，考慮厚復(fù)合板焊接工藝評(píng)定力學(xué)性能的變化，借此對(duì)比焊接工藝評(píng)定給定的試驗(yàn)方法及合格指標(biāo)的合理性。分析奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼之間、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼與奧氏體不銹鋼的異種鋼之間的工藝措施及焊接外觀、力學(xué)性能等，對(duì)焊接過(guò)程中的難點(diǎn)進(jìn)行討論，改善焊接工藝，為制造單位提供參考，避免因試驗(yàn)工藝過(guò)程造成材料浪費(fèi)及能源消耗。

2 典型焊接工藝評(píng)定分析

2.1 復(fù)合板焊接工藝評(píng)定

某制造單位Q345R+S30408復(fù)合板焊評(píng)(覆層參與強(qiáng)度計(jì)算)，板厚為(46+4)mm，其焊接參數(shù)基層Q345R采用埋弧焊雙面焊接多層多道焊，采用直流反接(DCEP)，焊接電流550～650 A，焊接電壓30～36 V，焊接速度45～50 cm/min，線能量31.2 kJ/cm，層間溫度小于等于250℃，預(yù)熱溫度大于等于80℃；覆層采用焊條電弧焊，采用直流反接(DCEP)，焊接電流120～160 A，焊接電壓24～26 V，焊接速度10～13 cm/min，線能量24.9 kJ/cm。焊后進(jìn)行熱處理900～940℃，保溫60～70 min。

焊接完成后進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表2 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

焊接工藝評(píng)定中拉伸采用分片拉伸，由表1可以看出兩個(gè)拉伸試件一個(gè)加工為(25.1+23.4)mm，另一個(gè)試樣加工為(24.5+23.5)mm，但依NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》中C.2.4 a)，拉伸試樣應(yīng)包括覆層和基層的全厚度，且C.2.5給出了計(jì)算公式，因此分層計(jì)算不符合要求。且根據(jù)6.4.1.5.1 c)，當(dāng)試驗(yàn)機(jī)能力限制不能進(jìn)行全厚度的拉伸試驗(yàn)時(shí)，則可將試件在厚度方向上均勻分層取樣，等分后制取試樣厚度應(yīng)接近試驗(yàn)機(jī)所能試驗(yàn)的最大厚度。等分后的兩片或多片試樣試驗(yàn)?zāi)艽嬉粋€(gè)全厚度試樣的試驗(yàn)。由6.4.1.5.1c)與C.2.4 a)對(duì)比可以得出復(fù)合板(覆層參與強(qiáng)度計(jì)算)的拉伸試驗(yàn)必須進(jìn)行全厚度拉伸。因此拉伸試驗(yàn)不符合NB/T 47014—2011的要求，必須重新進(jìn)行取樣試驗(yàn)。

根據(jù)表3可以得出采用全厚度進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度較分片拉伸時(shí)提高了11%，達(dá)到560 MPa，同時(shí)解決了表1中拉伸試樣寬度小于20 mm的問(wèn)題[4]。

表3 全厚度拉伸試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)GB/T 16957—2012《復(fù)合鋼板焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(此標(biāo)準(zhǔn)取消了所有的試驗(yàn)機(jī)能力不足)第6.1.4節(jié)，對(duì)于包括覆材的試樣，應(yīng)采用全厚度試樣，當(dāng)復(fù)合板厚度大于40 mm時(shí)，可從基材和覆材表面按照復(fù)合比例機(jī)械加工，使其厚度小于等于40 mm，由此試件可進(jìn)行削薄為(37+3)mm的試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。NB/T 47002—2019《壓力容器用復(fù)合板引用標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T 6396—2008《復(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能試驗(yàn)方法》中第5.2.4節(jié)同樣提出當(dāng)復(fù)合鋼板總厚度大于40 mm且試驗(yàn)機(jī)能力不足時(shí)，可以按比例從覆材和基材兩面加工至40 mm，因此可進(jìn)行削薄為(37+3)mm的試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。GB/T 16957—2012引用了NB/T 47014—2011標(biāo)準(zhǔn)，但NB/T 47014—2011未引用GB/T 16957—2012及GB/T 6396—2008。但由于GB/T 16957—2012執(zhí)行日期較NB/T 47014—2011晚，因此是否適用值得商榷。且根據(jù)上述分層拉伸的抗拉強(qiáng)度值較全厚度拉伸低，因此可以得出分層抗拉強(qiáng)度合格的情況下，全厚度拉伸力學(xué)性能應(yīng)被判為合格。因此可以認(rèn)定按比例從覆材和基材兩面加工至40 mm來(lái)判斷是否符合拉伸強(qiáng)度要求是可行的。

NB/T 47014—2011 中C.2.4 c)規(guī)定只需對(duì)基層進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，通過(guò)表2可以得到復(fù)合板焊接工藝評(píng)定的沖擊試驗(yàn)沖擊吸收功值，其中熱影響區(qū)的沖擊吸收功存在一個(gè)試件為20 J，由NB/T 47014—2011中6.4.1.7.3 b)鋼質(zhì)焊接接頭沖擊吸收功平均值應(yīng)符合設(shè)計(jì)文件及相關(guān)技術(shù)文件規(guī)定，且不低于NB/T 47014—2011表14中規(guī)定值，至多允許有1個(gè)試樣的沖擊吸收功低于規(guī)定值但不應(yīng)該低于規(guī)定值的70%，從NB/T 47014—2011中表14查得該材料吸收功為≥24 J，焊接工藝評(píng)定單位認(rèn)為20 J滿足70%(16.8 J)的要求，故該評(píng)定合格。但根據(jù)GB/T 713—2014中表2查得該材料的吸收功為≥41 J，因此焊接工藝評(píng)定應(yīng)綜合這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，并按照較嚴(yán)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)執(zhí)行，綜合可得該材料的沖擊吸收功不得小于41 J，允許有1個(gè)試樣的沖擊吸收功低于規(guī)定值但不應(yīng)該低于規(guī)定值的70%，可得允許最低值為28.7 J，故該報(bào)告的20 J沖擊功不符合要求，需重新進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。表4為重新進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)得到的沖擊吸收功，結(jié)果遠(yuǎn)大于規(guī)定要求。

表4 沖擊試驗(yàn)沖擊吸收功

2.2 雙相不銹鋼鋼焊接工藝評(píng)定

某制造單位奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼之間，板厚為10 mm，其焊接參數(shù)采用埋弧焊雙面焊接單層單道焊，采用直流反接(DCEP)，焊接電流480～520 A，焊接電壓30～34 V，焊接速度18～22 cm/min，線能量58.9 kJ/cm，層間溫度≤150℃。奧氏體-鐵素體與奧氏體不銹鋼之間，板厚為10 mm，其焊接參數(shù)采用埋弧焊雙面焊接單層單道焊，采用直流反接(DCEP)，焊接電流480～520 A，焊接電壓30～34 V，焊接速度18～22 cm/min，線能量58.9 kJ/cm，層間溫度≤150℃。均未進(jìn)行焊后熱處理。焊接試件力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，焊接工藝評(píng)定符合要求。

通過(guò)實(shí)際焊接操作發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊接過(guò)程中層間溫度較高，超過(guò)上述給定層間溫度30℃時(shí)，所焊接的試樣較脆，彎曲試驗(yàn)不合格。因此焊接過(guò)程中需要控制焊接層間溫度。沖擊試驗(yàn)的沖擊吸收功焊縫較焊接熱影響區(qū)小，一般情況下，焊縫的沖擊吸收功較大，造成焊縫區(qū)沖擊吸收功較低的原因?yàn)槲龀鯩23C6和σ相，主要在鐵素體、奧氏體晶界和鐵素體內(nèi)析出。隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，析出相逐漸長(zhǎng)大并增多，沖擊功逐漸降低[5]。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)特種設(shè)備焊接工藝評(píng)定復(fù)合鋼板力學(xué)性能的要求，提出分層取樣和全厚度取樣的差別及依據(jù)，同時(shí)結(jié)合部分標(biāo)準(zhǔn)給出削薄處理的依據(jù)與優(yōu)點(diǎn)；對(duì)于沖擊試驗(yàn)的沖擊吸收功提出應(yīng)遵守相應(yīng)材料標(biāo)準(zhǔn)的要求；雙相不銹鋼的焊接工藝參數(shù)及層間溫度超標(biāo)時(shí)力學(xué)性能的缺陷，同時(shí)闡明焊縫區(qū)沖擊吸收功的原因。