焊接螺柱標(biāo)準(zhǔn)綜述

盧 晶，楊 濤，張趙君，石 磊，趙 卜，張麗晴

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

焊接螺柱作為各類結(jié)構(gòu)的抗剪件、預(yù)埋件及錨固件等在石油化工工程、核電工程、建筑工程和車輛制造、設(shè)備制造等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。然而，目前結(jié)構(gòu)工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中未對焊接螺柱的具體設(shè)計參數(shù)及要求進行明確，本文通過對國內(nèi)外主要焊接螺柱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的梳理、歸納和總結(jié)，找出適用于結(jié)構(gòu)工程項目所需抗剪型螺柱的主要技術(shù)要求，供相關(guān)行業(yè)設(shè)計人員參考。

焊接螺柱可焊性優(yōu)劣是影響工程質(zhì)量的重要因素，其中焊接螺柱母材、焊接工藝、檢驗、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)等因素均與可焊性直接相關(guān)，因此本文所述標(biāo)準(zhǔn)主要涉及與焊接螺柱的母材、產(chǎn)品、設(shè)計相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。

1 焊接螺柱母材標(biāo)準(zhǔn)

焊接螺柱按材質(zhì)可分為碳鋼、不銹鋼、合金鋼、鋁材和銅材等。其中抗剪型碳鋼焊接螺柱應(yīng)用最為廣泛。碳鋼焊接螺柱母材按鋼的使用狀態(tài)可分為非熱處理型、表面硬化型、調(diào)質(zhì)型和非調(diào)質(zhì)型冷鐓和冷擠壓用鋼。工程中常用的焊接螺柱母材為非熱處理型冷鐓鋼。表1中列出了目前國際上常用的碳鋼焊接螺柱母材的標(biāo)準(zhǔn)。

焊接螺柱中母材的化學(xué)成分是影響其性能的重要因素，本文以非熱處理型冷鐓碳鋼焊接螺柱為例，選取同級別碳鋼焊接螺柱的化學(xué)成分進行對比，結(jié)果見表2。

表2 同級別的碳鋼焊接螺柱的化學(xué)成分對比結(jié)果

從表1 中可看出：關(guān)于碳鋼焊接螺柱母材材料的常用牌號，澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)與美標(biāo)（美國標(biāo)準(zhǔn)）一致，國際標(biāo)準(zhǔn)與歐標(biāo)（歐洲標(biāo)準(zhǔn)）一致。從表2可發(fā)現(xiàn)：各焊接螺柱母材標(biāo)準(zhǔn)中主要化學(xué)元素（碳、硅、錳、磷、硫、鋁）質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有差異。等級相近碳鋼焊接螺柱母材對于化學(xué)成分的要求，國際標(biāo)準(zhǔn)和歐標(biāo)最為嚴(yán)格，日標(biāo)（日本標(biāo)準(zhǔn)）和國標(biāo)（中國標(biāo)準(zhǔn)）次之，美標(biāo)和澳大利亞標(biāo)最寬松。

2 焊接螺柱產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

針對焊接螺柱產(chǎn)品，各國制定了相應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。目前“焊接螺柱及焊釘”產(chǎn)品的系列國家標(biāo)準(zhǔn)具體如表3所示。

表3 焊接螺柱產(chǎn)品相關(guān)國標(biāo)

除GB/T 902.1—2008 外，表3 中其他標(biāo)準(zhǔn)均修改采用ISO 13918:2017[15]的部分章節(jié)。ISO 13918:2017的具體產(chǎn)品規(guī)定與國標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系可參考GB/T 902.4—2010 中附錄A 的表A.1?？紤]到國內(nèi)與國外原材料認(rèn)證制度的差異，國標(biāo)中關(guān)于ISO 13918:2017 中規(guī)定的涉及產(chǎn)品認(rèn)證、市場準(zhǔn)入檢驗及工廠生產(chǎn)控制等內(nèi)容未予采用。

表4 列舉了目前國際上常用的焊接螺柱產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，并對標(biāo)準(zhǔn)中涉及的螺柱焊接方式、螺柱材質(zhì)進行了標(biāo)識。根據(jù)焊接方式區(qū)分，焊接螺柱主要分為帶陶瓷套圈或氣體保護的電（拉）弧焊螺柱、短周期電（拉）弧焊螺柱、電容焊接螺柱。其中帶陶瓷套圈或氣體保護的電（拉）弧焊螺柱和短周期電（拉）弧焊螺柱統(tǒng)稱為電（拉）弧焊螺柱。電容焊接螺柱即為儲能式焊接螺柱，分為電容放電拉弧螺柱或電容放電尖端引燃螺柱。電容放電尖端引燃螺柱焊接分為接觸法和間隙法2種。

表4 焊接螺柱產(chǎn)品國際標(biāo)準(zhǔn)

歐標(biāo)EN ISO 14555:2017 由BS EN ISO 14555:2017[24]演變而來，且由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織將其引入國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 14555:2017[25]。歐標(biāo)EN ISO 13918:2017由BS EN ISO 13918:2018[26]演變而來，且國際標(biāo)準(zhǔn)化組織將其引入國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 13918:2017。ISO 14555:2017 和ISO 13918:2017 的側(cè)重點各不相同，在設(shè)計過程中需配合使用。

歐標(biāo)EN ISO 14555:2017 標(biāo)準(zhǔn)涉及焊接知識、質(zhì)量要求、焊接工藝評定、焊接程序、操作人員資格測試、螺柱焊接設(shè)備、焊接設(shè)計、產(chǎn)品試驗等內(nèi)容。歐標(biāo)EN ISO 13918:2018 則側(cè)重對電弧焊接方式的焊接螺柱、陶瓷套圈進行規(guī)定，對每種螺柱的外形尺寸、原材料、機械性能、可焊性、評價一致性等給出了明確要求。歐標(biāo)EN ISO 13918:2018 中，焊接螺柱的材質(zhì)涉及碳鋼、不銹鋼、鋁、銅等，且根據(jù)受力的不同對螺柱進行了分類，對工程人員開展設(shè)計工作具有指導(dǎo)意義。

美標(biāo)AWS C5.4:1993 推薦做法中詳盡介紹了焊接螺柱的焊接設(shè)計流程，重點介紹了電弧焊及電容（儲能用）焊螺柱的焊接設(shè)計。

AWSD1.1/D1.1M:2020、AWSD1.2/D1.2M:2014、AWS D1.6/D1.6M:2017 則分別詳述了螺柱（碳鋼、鋁和不銹鋼）的力學(xué)性能、螺柱材料、螺柱焊接端的評定要求、評定試驗、焊機操作員資格、試生產(chǎn)的測試和工藝要求、生產(chǎn)中的制造安裝和檢查、制造商對螺柱焊接端可焊性認(rèn)證等內(nèi)容。標(biāo)準(zhǔn)AASHTO/AWS D1.5M/D1.5:2020[27]第7 節(jié)包含了橋梁結(jié)構(gòu)用焊接螺柱的相關(guān)內(nèi)容。

此外美國航空航天工業(yè)協(xié)會也制定了關(guān)于焊接螺柱的NASM 24149[28-33]系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，由于適用范圍不同，本文不作具體介紹。

澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS 1554.2:2021 與美標(biāo)AWS D1.1/D1.1M:2020第9節(jié)類似。

日標(biāo)JIS B 1198:2011中對焊接螺柱材質(zhì)、機械性能、尺寸公差等進行了介紹，對螺柱的焊接性能僅簡要描述。

歐標(biāo)、美標(biāo)、澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)對焊接螺柱的研究最為深入，標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容豐富，且歐標(biāo)被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織采用。

3 焊接螺柱產(chǎn)品機械性能對比

碳鋼焊接螺柱由熱軋盤條和熱軋圓鋼進行冷鐓和冷擠壓成型，冷鐓和冷擠壓后材料的機械性能將發(fā)生變化。鑒于抗剪型碳鋼焊接螺柱應(yīng)用的廣泛性，表5對不同標(biāo)準(zhǔn)中等級相近的碳鋼焊接螺柱產(chǎn)品機械性能進行了對比。

表5 等級相近的碳鋼焊接螺柱機械性能對比

從表5可得出結(jié)論：美標(biāo)AWS D1.1/D1.1M:2020中關(guān)于B 型抗剪螺柱的機械性能要求與ISO 13918:2017表2中SD1型螺柱的要求基本一致，與國標(biāo)略有出入。日標(biāo)JIS B1198中焊接螺柱的機械性能要求與ISO 13918表2中SD2型螺柱的要求基本一致。其中EN ISO 14555:2017中關(guān)于螺柱機械性能的要求同ISO 13918:2017。

4 焊接螺柱產(chǎn)品質(zhì)量控制

焊接螺柱產(chǎn)品的質(zhì)量控制涉及螺柱母材、配套材料、焊接工藝評定試驗、螺柱焊接端認(rèn)證，生產(chǎn)前控制、生產(chǎn)檢驗等一系列內(nèi)容。國際上通常采用焊接螺柱與鋼板焊接后的焊接螺柱端來評價焊接螺柱產(chǎn)品質(zhì)量。焊接螺柱制造商通過焊接螺柱端的評定證明焊接螺柱具有良好的可焊接性。歐標(biāo)、美標(biāo)、澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)均給出了詳盡的焊接螺柱端認(rèn)證描述。

焊接螺柱焊接成型后的檢測包括外觀檢查（目視）、彎曲試驗、扭矩試驗、拉伸試驗、射線照相檢查、宏觀檢查（90°通過螺柱中心）等。上述所有檢測內(nèi)容從不同方面反映出焊接螺柱焊后的質(zhì)量。

表6 為國際標(biāo)準(zhǔn)、美標(biāo)和我國國標(biāo)中涉及抗剪型碳鋼焊接螺柱產(chǎn)品的質(zhì)量控制項。由于篇幅有限，其他材質(zhì)、類型的焊接螺柱質(zhì)量控制點需參考相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

表6 抗剪型碳鋼焊接螺柱質(zhì)量控制項

國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 14555:2017 涉及電弧和電容焊接螺柱的所有評定要求。此外，歐標(biāo)還重點介紹了焊接螺柱產(chǎn)品過程控制的事項，規(guī)定了制造商應(yīng)建立、記錄和維護符合ISO 9001:2015[36]的FPC 系統(tǒng)，以確保投放市場的產(chǎn)品符合聲明的性能特征。FPC 系統(tǒng)應(yīng)包括書面程序（工作手冊）、定期檢查和測試和/或評估，以及使用結(jié)果控制原材料和其他來料或組件、設(shè)備、生產(chǎn)過程和產(chǎn)品。此FPC系統(tǒng)為歐標(biāo)產(chǎn)品的強制認(rèn)證。

美標(biāo)與歐標(biāo)類似，在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定承包商應(yīng)提供螺柱制造商的證明文件、螺柱的適用要求、螺柱制造商試驗報告的認(rèn)證副本，涵蓋了第7.3 條要求的最后一套廠內(nèi)質(zhì)量控制機械試驗。鋼材供應(yīng)商出具的認(rèn)證材料試驗報告（CMTR）說明交付產(chǎn)品的爐號、直徑、化學(xué)性能和等級等。

國標(biāo)中涉及焊接螺柱的質(zhì)量控制項的標(biāo)準(zhǔn)有表3 中產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、GB 50205—2020 和GB 50661—2011。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10433—2002對焊接螺柱的尺寸、機械性能進行了規(guī)定，對碳鋼電弧焊接螺柱的焊接端的拉伸試驗、彎曲試驗方法及驗收標(biāo)準(zhǔn)進行了簡單介紹，方法及驗收標(biāo)準(zhǔn)與GB 50661—2011和GB 50205—2020 一致。 GB 50661—2011 和GB 50205—2020 僅對碳鋼的電弧焊接螺柱的質(zhì)量控制內(nèi)容進行了規(guī)定。兩項標(biāo)準(zhǔn)的表述基本一致。

國標(biāo)中檢驗項少于美標(biāo)和國際標(biāo)準(zhǔn)體系。且國標(biāo)體系未見關(guān)于短周期電弧螺柱焊、電容焊接螺柱以及材質(zhì)為不銹鋼螺柱、鋁螺柱、銅螺柱等的焊接螺柱端的相關(guān)質(zhì)量控制內(nèi)容。這與國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置有關(guān)，建議國標(biāo)體系根據(jù)生產(chǎn)需求補充相關(guān)的內(nèi)容。

需要強調(diào)的是歐標(biāo)中帶陶瓷套圈的電弧焊接螺柱的彎曲試驗還考慮了使用溫度的影響。當(dāng)使用溫度＞100 ℃時，可通過扭矩扳手試驗檢驗焊接螺柱焊縫的耐久性。此外，美標(biāo)在目視檢測中要求，當(dāng)發(fā)現(xiàn)無完整的360°飛邊時，補充15°彎曲試驗；有螺紋時，需補充扭矩扳手的彎曲試驗。國標(biāo)中無上述通過扭矩扳手的彎曲試驗要求。

歐標(biāo)中拉伸試驗、射線檢測在取樣時考慮了結(jié)構(gòu)使用溫度和承受疲勞荷載的影響，且規(guī)定了可選用拉伸試驗替代射線檢測的情況。

澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS 1554.2:2021 中檢驗項內(nèi)容與AWS D1.1/D1.1M:2020 第9 節(jié)類似，限于篇幅本文不再贅述。

5 結(jié)論

本文通過對焊接螺柱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行梳理得出如下主要結(jié)論。

5.1 標(biāo)準(zhǔn)體系

美標(biāo)及歐標(biāo)對焊接螺柱研究最為深入、全面，且歐標(biāo)被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織采用。我國焊接螺柱系列標(biāo)準(zhǔn)則修改采用國際標(biāo)準(zhǔn)中不同類型焊接螺柱的部分相關(guān)內(nèi)容。澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)借鑒了美標(biāo)的思路，與美標(biāo)基本保持一致。美標(biāo)中焊接螺柱的各項要求是在各結(jié)構(gòu)焊接標(biāo)準(zhǔn)中同步規(guī)定，未單獨形成標(biāo)準(zhǔn)；歐標(biāo)則對焊接螺柱單獨形成標(biāo)準(zhǔn)，此為美標(biāo)和歐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)體系設(shè)置差異導(dǎo)致。

5.2 母材方面

將各國標(biāo)準(zhǔn)中等級相近碳鋼焊接螺柱母材化學(xué)成分進行對比發(fā)現(xiàn)，主要化學(xué)元素含量要求略有差異，國際標(biāo)準(zhǔn)和歐標(biāo)的要求最嚴(yán)格，日標(biāo)和國標(biāo)次之，美標(biāo)和澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)最寬松。

將等級相近碳鋼焊接螺柱母材機械性能進行對比發(fā)現(xiàn)，美標(biāo)AWS D1.1/D1.1M:2020 的B 型抗剪螺柱機械性能與國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 13918:2017 表2 的SD1型螺柱標(biāo)準(zhǔn)基本一致，與國標(biāo)略有出入。日標(biāo)JIS B1198:2011中焊接螺柱與ISO 13918:2017表2中SD2型螺柱標(biāo)準(zhǔn)要求基本一致。

5.3 產(chǎn)品質(zhì)量控制

為保證焊接螺柱的可焊性，歐標(biāo)和美標(biāo)均對焊接螺柱產(chǎn)品質(zhì)量控制項進行了詳細(xì)規(guī)定。國標(biāo)中僅對碳鋼電弧焊接螺柱的可焊性控制項進行了簡單介紹。