王曉璇
海洋石油工程股份有限公司 山東青島 266520
世界權(quán)威焊接機(jī)構(gòu)發(fā)布的常用焊接標(biāo)準(zhǔn)中有3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)常運(yùn)用,版本分別為:中國船級(jí)社(CCS)發(fā)布的《材料與焊接規(guī)范:2006》(在本文中簡(jiǎn)稱為CCS標(biāo)準(zhǔn))、美國焊接學(xué)會(huì)(AWS)發(fā)布的《AWS D1.1/AWS D1.1M鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范:2006》(在本文中簡(jiǎn)稱為AWS標(biāo)準(zhǔn))和美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME)發(fā)布的《鍋爐及壓力容器規(guī)范第IX卷焊接和釬接評(píng)定:2017(焊接和釬接工藝,焊工、釬接工、焊機(jī)和釬機(jī)操作工的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn))》(在本文中簡(jiǎn)稱為ASME標(biāo)準(zhǔn))。
在焊工資格評(píng)定理化試驗(yàn)中,常見的有:彎曲試驗(yàn)、宏觀腐蝕試驗(yàn)、角焊縫破斷試驗(yàn)及金相檢測(cè)等,現(xiàn)分析和比較最常用的前3種試驗(yàn),分別在取樣方法、試樣尺寸、試驗(yàn)過程等幾個(gè)方面,得出這3種標(biāo)準(zhǔn)的異同,以便這些標(biāo)準(zhǔn)在焊工資格評(píng)定工作中能更高效、更便捷地運(yùn)用。
彎曲試驗(yàn)是焊工資格評(píng)定中數(shù)量較多、較常用的力學(xué)性能試驗(yàn),且是一種成熟、有效的判定焊工實(shí)際焊接水平的力學(xué)性能試驗(yàn)。各大標(biāo)準(zhǔn)的要求也較類似,細(xì)節(jié)的要求有所區(qū)別,現(xiàn)就這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的異同進(jìn)行對(duì)比。
對(duì)彎曲試件尺寸的要求,CCS標(biāo)準(zhǔn)和其他標(biāo)準(zhǔn)的要求比較類似。CCS標(biāo)準(zhǔn)在正彎和反彎試樣的尺寸選擇上,對(duì)鋁合金試樣做了進(jìn)一步的詳細(xì)規(guī)定,這是與其他標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不同的地方。彎曲試樣厚度應(yīng)為母材厚度,當(dāng)試驗(yàn)材料的厚度>25mm時(shí),彎曲試樣的厚度可以減薄至25mm。對(duì)于鋁合金來說,彎曲試樣的厚度可取母材的全厚度。對(duì)于板試樣來說寬度為30mm,管試樣寬度為試樣厚度加0.1倍的管試樣外徑,因此應(yīng)為10~30mm[1]。同時(shí),對(duì)于板試驗(yàn)的尺寸要求也與其他標(biāo)準(zhǔn)不同,試樣的規(guī)定寬度為30mm。
通常,可根據(jù)試驗(yàn)材料的強(qiáng)度選擇壓頭直徑。當(dāng)材料強(qiáng)度<400MPa時(shí),壓頭直徑為4倍試樣厚度。試驗(yàn)材料強(qiáng)度為400~500MPa時(shí),壓頭直徑為5倍試樣厚度。當(dāng)試驗(yàn)材料強(qiáng)度為500~690MPa時(shí),壓頭直徑為6倍試樣厚度。對(duì)于一部分的鋁合金材料,壓頭直徑可取6倍試樣厚度。其余大部分鋁合金壓頭直徑取4倍試樣厚度,彎曲角度為 180°[1]。
由此可見,CCS標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定試驗(yàn)材料強(qiáng)度>690MPa時(shí)的壓頭直徑。CCS標(biāo)準(zhǔn)除了對(duì)鋼材的規(guī)定外,還對(duì)鋁合金的彎曲試驗(yàn)做了詳細(xì)的規(guī)定和分類,對(duì)不同種類的鋁合金材料彎曲試驗(yàn)的壓頭直徑分別做了說明,這是與其他標(biāo)準(zhǔn)的顯著不同。
彎曲試驗(yàn)結(jié)果不合格時(shí),可在原試件上或在用同一批試驗(yàn)材料以同樣工藝重新焊制的試件上,對(duì)不合格項(xiàng)目制取雙倍試樣進(jìn)行復(fù)試。復(fù)試結(jié)果應(yīng)全部合格[1]。這點(diǎn)與大多數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定相似,都需要重新焊接。有一點(diǎn)在實(shí)際操作中需要格外注意,重新焊接指的不是與測(cè)試焊縫的同一片試板或試管上取得另一個(gè)試樣。
對(duì)彎曲試驗(yàn)結(jié)果的判斷為:試驗(yàn)后,試樣表面上出現(xiàn)的裂紋或其他缺陷長(zhǎng)度應(yīng)≤3mm[1]。試樣結(jié)果判斷標(biāo)準(zhǔn)與其他的標(biāo)準(zhǔn)有所不同,此標(biāo)準(zhǔn)沒有考慮試樣的邊角處有裂紋等缺陷的情況,在判斷試樣是否合格時(shí),由試樣邊角處裂紋等缺陷導(dǎo)致的試驗(yàn)結(jié)果不合格的概率加大。同時(shí),對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的判斷上,此標(biāo)準(zhǔn)也沒有考慮到缺陷長(zhǎng)度累積的情況,若實(shí)際缺陷為連續(xù)氣孔或連續(xù)夾渣,且缺陷長(zhǎng)度都<3mm,此標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)定這些缺陷的長(zhǎng)度為合格。在焊工資格評(píng)定時(shí),真實(shí)反映焊工實(shí)際水平的能力下降。由以上分析可知,此標(biāo)準(zhǔn)是否能準(zhǔn)確地評(píng)定焊工操作水平還需進(jìn)一步討論。
對(duì)于彎曲試樣尺寸的規(guī)定,AWS標(biāo)準(zhǔn)和其他標(biāo)準(zhǔn)有所不同。對(duì)于橫向彎曲試樣的要求根據(jù)焊件的不同尺寸有不同的要求:對(duì)于板材,焊件試樣的寬度取40mm;對(duì)于管材,直徑≤4in(100mm)管材試樣寬度為25mm;直徑>4in(100mm)管材試樣寬度為40mm[2]。由此可見,AWS標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象的形式不同,試樣尺寸則不同,這一點(diǎn)是與其他標(biāo)準(zhǔn)不同的地方。對(duì)于板材來說,尤其是較薄的板材,在實(shí)際取樣時(shí),有時(shí)很難取到足夠?qū)挾鹊脑嚇?,易?duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響,這對(duì)較薄試樣是否有取樣長(zhǎng)度過長(zhǎng)等問題值得再次討論。對(duì)直徑較小的管材,例如φ20mm的小管,很難取得25mm寬度的試樣。如果能取得試樣,有時(shí)也會(huì)因?yàn)橹睆竭^小導(dǎo)致試樣表面呈弧形,試驗(yàn)進(jìn)行有一定困難。同時(shí),在實(shí)際操作中,對(duì)>φ100mm的試管,試樣寬度為40mm。不考慮直徑,在試管特別薄的情況下,對(duì)直徑接近100mm的管子,在處理試樣表面、取樣和試驗(yàn)的過程中也會(huì)出現(xiàn)試樣與試驗(yàn)機(jī)不匹配的情況。
對(duì)于彎曲試驗(yàn)合格判據(jù),AWS標(biāo)準(zhǔn)與大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)相同的部分為:必須對(duì)已經(jīng)彎曲的試樣凸面表面缺陷進(jìn)行目視檢測(cè)。彎曲試驗(yàn)合格判據(jù)AWS標(biāo)準(zhǔn)有些和其他標(biāo)準(zhǔn)不同之處:合格試樣表面的缺陷嚴(yán)禁超過表面任何方向上1/8in(3mm)。所有超過1/32in(1mm)但≤1/8in(3mm)的缺陷,將其各自最大尺寸加起來為3/8in(10mm)。最大角部裂紋1/4in(6mm),如角部裂紋由可見夾渣或其他熔化型缺陷所致,則裂紋最大值必須只能為1/8in(3mm)。角部裂紋超過1/4in(6mm)而并無夾渣或其他熔化型缺陷的試樣必須摒棄,并必須從原焊件上另取試樣重作彎曲試驗(yàn)[2]。由此可見,AWS標(biāo)準(zhǔn)對(duì)邊角處的缺陷進(jìn)行了特殊的說明,這是和其他標(biāo)準(zhǔn)不同的地方。很大程度上考慮到了試樣邊角處可接受的試樣開裂情況,由于試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力集中于試樣的邊角處,使得極其微小的缺陷就會(huì)放大到不可接受,因此這種對(duì)邊角處的特殊規(guī)定非常適用于實(shí)際操作。此要求在筆者看來十分合理,充分考慮了實(shí)際的試驗(yàn)情況。對(duì)于試驗(yàn)缺陷長(zhǎng)度可累積的要求也十分符合實(shí)際對(duì)焊工資質(zhì)的要求,實(shí)際操作中,焊工實(shí)際操作水平差異較大,對(duì)長(zhǎng)度過長(zhǎng)的連續(xù)小缺陷通常是不允許的??梢姶藰?biāo)準(zhǔn)充分考慮了焊工考試和試驗(yàn)的實(shí)際情況,也充分考慮了試驗(yàn)情況對(duì)焊工實(shí)際工作能力的考察。
ASME標(biāo)準(zhǔn)的彎曲試驗(yàn)是根據(jù)焊接金屬的厚度得到不同的彎曲試驗(yàn)類型和試驗(yàn)數(shù)量:當(dāng)材料厚度<10mm時(shí),可以取1個(gè)正彎、1個(gè)反彎。當(dāng)材料厚度為10~19mm時(shí),可以取2個(gè)側(cè)彎。當(dāng)材料厚度>19mm時(shí),可以取2個(gè)側(cè)彎[3]。這與其他標(biāo)準(zhǔn)有所不同,ASME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試樣厚度>10mm可以用側(cè)彎試樣代替正反彎試樣,有些標(biāo)準(zhǔn)要求厚度>12mm時(shí)可采用側(cè)彎試樣代替正反彎試樣。尤其是對(duì)10~19mm厚度的試樣,ASME標(biāo)準(zhǔn)還單獨(dú)拿出來解釋,試驗(yàn)可以取兩個(gè)側(cè)彎,這也是與其他標(biāo)準(zhǔn)不同的地方。在實(shí)際操作中,彎曲試驗(yàn)可以分為兩種情況來進(jìn)行,分別為厚度<10mm和厚度≥10mm,這兩種情況分別對(duì)應(yīng)著1個(gè)正彎、1個(gè)反彎和2個(gè)側(cè)彎。
根據(jù)焊接位置的不同,彎曲試驗(yàn)采用不同的試驗(yàn)數(shù)量,這點(diǎn)要求也與其他標(biāo)準(zhǔn)不同。通常,可取2個(gè)彎曲試驗(yàn)。當(dāng)評(píng)定5G 或6G 位置時(shí),共需準(zhǔn)備4個(gè)彎曲試樣,一種取樣方式為4個(gè)側(cè)彎,另一種取樣方式為2個(gè)面彎、2個(gè)背彎;為了在一個(gè)試樣上能同時(shí)評(píng)定2G 和5G 位置,則共需6個(gè)彎曲試樣,一種取樣方式為6個(gè)側(cè)彎,另一種取樣方式為3個(gè)面彎、3個(gè)背彎。彎曲試樣的形式應(yīng)使試驗(yàn)在焊縫金屬厚度上進(jìn)行,可以用2個(gè)側(cè)彎代替1個(gè)面彎和1個(gè)根彎[3]。
分析可得,在ASME標(biāo)準(zhǔn)中5G 或6G 位置和其他位置試驗(yàn)數(shù)量的不同即試驗(yàn)數(shù)量翻倍,可見ASME標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此焊接位置的要求更加嚴(yán)格。同時(shí)此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)2G 和5G 位置也做了試驗(yàn)數(shù)量上的特殊要求,更細(xì)致地提出了此位置的試驗(yàn)數(shù)量是常規(guī)的3倍,可見該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此焊接位置有了最高的要求。此處是ASME標(biāo)準(zhǔn)的要求和其他標(biāo)準(zhǔn)的明顯不同。體現(xiàn)了該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)實(shí)際操作情況和焊接操作人員實(shí)際水平的準(zhǔn)確把握,對(duì)不同的焊接位置進(jìn)行不同的檢測(cè)考量,更符合實(shí)際的試驗(yàn)情況。這些與其他標(biāo)準(zhǔn)存在明顯不同的要求,因此操作者在操作中一定要特別注意。
通常T、K、Y位置焊接的試件或一部分V形坡口的試樣需要進(jìn)行宏觀腐蝕試驗(yàn)。宏觀腐蝕試驗(yàn)是評(píng)價(jià)焊接質(zhì)量和焊工操作水平的一種重要方法,此試驗(yàn)可直接觀察熱影響區(qū)、母材和焊縫的確切形狀,有些能觀察到每條焊道的清晰輪廓,是一種非常直觀又重要的檢測(cè)方法。
焊接試板填角焊和焊接管板角接頭的試樣通常要做2個(gè)宏觀試驗(yàn)。試驗(yàn)合格判定標(biāo)準(zhǔn)為:應(yīng)顯示出焊縫成形良好、有足夠的熔深(管板角接頭根部應(yīng)焊透),無裂紋、未熔合缺陷[1]。板對(duì)接焊和管對(duì)接焊的宏觀檢測(cè)需要每次檢測(cè)一個(gè)宏觀試樣。合格標(biāo)準(zhǔn)為:在焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)應(yīng)無肉眼可見的任何缺陷[1]。
由以上對(duì)比可知,CCS標(biāo)準(zhǔn)對(duì)合格的判定標(biāo)準(zhǔn)比較嚴(yán)格,嚴(yán)禁任何表面有任何缺陷。此標(biāo)準(zhǔn)的表述也比較寬泛,所有的宏觀結(jié)果都必須無任何缺陷,并沒有允許一定情況的夾渣和氣孔。但在實(shí)際操作中,是否允許少量的夾渣和氣孔是一個(gè)可討論的問題。
對(duì)T、Y 和K 形節(jié)點(diǎn)和6GR位置的焊接試樣需取得4個(gè)宏觀腐蝕試樣,通常試樣的表面需初步磨合,進(jìn)行一定的拋光作業(yè),使試樣在腐蝕后能觀察到清晰的母材、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)域。塞焊縫和角焊縫的宏觀試樣必須從試驗(yàn)接頭上切取。宏觀腐蝕試樣的切取位置為:T、Y 和K 形節(jié)點(diǎn)從焊縫角部切取,6GR 位置的試樣需要在6GR 位置切取[2]。通過分析可知,AWS標(biāo)準(zhǔn)要求的試驗(yàn)數(shù)量更多,是CCS標(biāo)準(zhǔn)的2倍,可見AWS標(biāo)準(zhǔn)對(duì)宏觀檢測(cè)的要求更加嚴(yán)格。
對(duì)于合格的判定也與CCS標(biāo)準(zhǔn)不一樣。AWS標(biāo)準(zhǔn)宏觀腐蝕試驗(yàn)合格判據(jù)的要求比較詳細(xì)。對(duì)于焊腳和熔透的合格判定標(biāo)準(zhǔn)中,各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中都要求熔透并符合焊腳尺寸。
對(duì)于試樣表面上的咬邊和缺陷的表述,AWS標(biāo)準(zhǔn)就與CCS標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生了很多不同,其要求也更加細(xì)致,更能真實(shí)地反映試驗(yàn)判定的合理性。比如對(duì)咬邊的要求為:無超過1/32in(1mm)的咬邊。
此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氣孔和夾渣也有一定程度的允許,這真實(shí)地反映了實(shí)際焊接過程中,會(huì)不可避免地產(chǎn)生一些不連續(xù),標(biāo)準(zhǔn)編寫者認(rèn)為這些不連續(xù)對(duì)焊接質(zhì)量不會(huì)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響,可見標(biāo)準(zhǔn)編寫者對(duì)這一點(diǎn)進(jìn)行過綜合性考量。比如對(duì)于氣孔的要求為:≥1/32in(1mm)的氣孔累積值不得超過1/4in(6mm)。對(duì)夾渣的要求為:無聚集的夾渣,最大夾渣尺寸的總和嚴(yán)禁超過1/4 in(6mm)。同時(shí),標(biāo)準(zhǔn)對(duì)塞焊縫的要求也單獨(dú)列出來,并對(duì)其中出現(xiàn)的夾渣現(xiàn)象做了單獨(dú)要求:允許可見夾渣總累積長(zhǎng)度不超過 1/4in(6mm)[2]。
通過對(duì)比可知,AWS標(biāo)準(zhǔn)對(duì)宏觀腐蝕試驗(yàn)的要求更細(xì)致。此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的判定能充分地考量實(shí)際焊接情況和試驗(yàn)過程,在實(shí)際試驗(yàn)中是大力推薦的。
ASME 標(biāo)準(zhǔn)與其他標(biāo)準(zhǔn)不一樣的地方有:ASME標(biāo)準(zhǔn)列出了試驗(yàn)用腐蝕劑的配方,腐蝕劑需按照QW-470進(jìn)行腐蝕??梢夾SME標(biāo)準(zhǔn)不但對(duì)腐蝕過程和結(jié)果做了要求,并對(duì)腐蝕劑進(jìn)行了細(xì)致要求,增加了試驗(yàn)過程和試驗(yàn)結(jié)果的可控性,提升了試驗(yàn)的可操作性,也提升了試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。
與其他標(biāo)準(zhǔn)不同的是,ASME標(biāo)準(zhǔn)允許根部缺陷≤1∕32 in(0.8 mm)。同時(shí)還要求了焊縫尺寸:焊縫不得有>1∕16in(1.5mm)的凸面或凹陷。同時(shí)也要求了角焊焊腳尺寸與其總長(zhǎng)度的變化差異不得>1∕8in(3mm)。同時(shí)對(duì)非P-No.1的材料焊接進(jìn)行了特殊的說明:按QW-202.5的要求,當(dāng)剪力釘與非P-No.1的材料焊接,需做宏觀檢測(cè),為通過試驗(yàn),5個(gè)剪力釘焊焊縫及其熱影響區(qū)斷面中的每一個(gè)在10 倍放大鏡下進(jìn)行檢測(cè)時(shí)均應(yīng)沒有裂紋[3]。由此可見,ASME標(biāo)準(zhǔn)的要求更細(xì)致,區(qū)分了不同材料的試驗(yàn)結(jié)果判定標(biāo)準(zhǔn),增加了可操作性,使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更接近真實(shí)情況。在實(shí)際使用該標(biāo)準(zhǔn)時(shí),應(yīng)格外注意標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)一些特殊情形的使用區(qū)別。
有時(shí)1個(gè)角焊縫試樣上需取1個(gè)宏觀試樣和1個(gè)角焊縫破斷試樣。焊工考試中此項(xiàng)試驗(yàn)的數(shù)量較少,各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此項(xiàng)試驗(yàn)的要求差異不大,現(xiàn)分析如下。
板的填角焊有時(shí)要做角焊縫破斷試驗(yàn),需檢測(cè)的范圍為被檢焊縫全長(zhǎng)。通常在試樣焊縫全長(zhǎng)的兩頭各需去除25mm。板角接焊破斷試樣的破斷面應(yīng)顯示出焊縫無裂紋、未熔合和未焊透缺陷,對(duì)夾渣和氣孔應(yīng)符合ISO 5817:2003和ISO 10042:2005中B級(jí)或其他相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的要求[1]。由此可見,CCS標(biāo)準(zhǔn)下,此試驗(yàn)的判定標(biāo)準(zhǔn)比較嚴(yán)格。
AWS標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于斷裂試驗(yàn)的要求比較詳細(xì),從試驗(yàn)的長(zhǎng)度和試驗(yàn)力的加載情況到試樣受拉后的狀態(tài)都給出了詳細(xì)的說明。試樣的長(zhǎng)度為150mm。試驗(yàn)力的加載位置為組裝件的1/4段。試驗(yàn)力的加載狀態(tài)必須使焊縫根部受拉,且受拉的位置必須有至少1個(gè)焊接引弧處或?;√帲⒁?guī)定加載力可以反復(fù)加載。同時(shí),規(guī)定了試樣受力后的狀態(tài)為試樣破裂,或試樣變成扁平狀。
角焊縫破斷合格判據(jù)上也有細(xì)致規(guī)定:至于破斷試驗(yàn)之前目視檢測(cè)合格,焊縫必須外觀勻稱,嚴(yán)禁有焊瘤、裂紋,以及超過標(biāo)準(zhǔn)要求所允許的咬邊,焊縫表面嚴(yán)禁有可見氣孔[2]。所有焊接處需完全熔合,可允許3/32in(2.5mm)的夾渣或氣孔,最大尺寸總和嚴(yán)禁超過3/8in(10mm)。由此處分析可知,AWS標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這種試驗(yàn)的詳細(xì)規(guī)定,并且在實(shí)際操作中,具有實(shí)際的可操作性。
標(biāo)準(zhǔn)中還規(guī)定了焊工有補(bǔ)考的機(jī)會(huì),即:實(shí)際測(cè)試中,可以有一次補(bǔ)考機(jī)會(huì),且這次機(jī)會(huì)不用進(jìn)行額外培訓(xùn)。這個(gè)規(guī)定對(duì)焊工能大幅提升檢測(cè)合格率,有利于快速有效地進(jìn)行焊工資質(zhì)評(píng)定工作。
對(duì)于合格判定標(biāo)準(zhǔn)上:如果試樣斷裂,在斷裂處應(yīng)無裂紋或根部未焊透現(xiàn)象。同時(shí)在斷裂面上,肉眼可見的夾渣和氣孔的總長(zhǎng)度對(duì)于圖QW-462.4(b)所示的試樣不得>3∕8in(10mm),或者對(duì)圖QW-462.4(c)所示試樣的1∕4部分不得>10%[3]。由此可見,該標(biāo)準(zhǔn)在試樣合格標(biāo)準(zhǔn)的判定上也與其他的標(biāo)準(zhǔn)不同,對(duì)試樣上不連續(xù)的長(zhǎng)度判斷標(biāo)準(zhǔn)也不相同,在實(shí)際操作時(shí)一定要注意這點(diǎn)。
綜上所述,通過對(duì)3種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的異同分析可知,CCS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍更加寬泛,細(xì)節(jié)參數(shù)等的要求更加嚴(yán)格。AWS標(biāo)準(zhǔn)和ASME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的比較細(xì)致,可操作性更強(qiáng),更能實(shí)際反映焊工實(shí)際操作水平,是更值得推薦和使用的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)這兩種標(biāo)準(zhǔn)使用時(shí)應(yīng)仔細(xì)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)使用范圍的不同,避免因使用范圍不同而導(dǎo)致使用錯(cuò)誤。