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(lèi)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(chē)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)中未對(duì)焊接螺柱的具體設(shè)計(jì)參數(shù)及要求進(jìn)行明確，本文通過(guò)對(duì)國(guó)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(xiàng)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(jì)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(yàn)、設(shè)計(jì)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(jì)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(guó)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(jí)別碳鋼焊接螺柱的化學(xué)成分進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 同級(jí)別的碳鋼焊接螺柱的化學(xué)成分對(duì)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(hào)，澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)與美標(biāo)（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)）一致，國(guó)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(jí)相近碳鋼焊接螺柱母材對(duì)于化學(xué)成分的要求，國(guó)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(guó)標(biāo)（中國(guó)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(duì)焊接螺柱產(chǎn)品，各國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系可參考GB/T 902.4—2010 中附錄A 的表A.1?？紤]到國(guó)內(nèi)與國(guó)外原材料認(rèn)證制度的差異，國(guó)標(biāo)中關(guān)于ISO 13918:2017 中規(guī)定的涉及產(chǎn)品認(rèn)證、市場(chǎng)準(zhǔn)入檢驗(yàn)及工廠生產(chǎn)控制等內(nèi)容未予采用。

表4 列舉了目前國(guó)際上常用的焊接螺柱產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中涉及的螺柱焊接方式、螺柱材質(zhì)進(jìn)行了標(biāo)識(shí)。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(hù)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(hù)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(chǔ)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

歐標(biāo)EN ISO 14555:2017 由BS EN ISO 14555:2017[24]演變而來(lái)，且由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織將其引入國(guó)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(lái)，且國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織將其引入國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 13918:2017。ISO 14555:2017 和ISO 13918:2017 的側(cè)重點(diǎn)各不相同，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需配合使用。

歐標(biāo)EN ISO 14555:2017 標(biāo)準(zhǔn)涉及焊接知識(shí)、質(zhì)量要求、焊接工藝評(píng)定、焊接程序、操作人員資格測(cè)試、螺柱焊接設(shè)備、焊接設(shè)計(jì)、產(chǎn)品試驗(yàn)等內(nèi)容。歐標(biāo)EN ISO 13918:2018 則側(cè)重對(duì)電弧焊接方式的焊接螺柱、陶瓷套圈進(jìn)行規(guī)定，對(duì)每種螺柱的外形尺寸、原材料、機(jī)械性能、可焊性、評(píng)價(jià)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(duì)螺柱進(jìn)行了分類(lèi)，對(duì)工程人員開(kāi)展設(shè)計(jì)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(jì)流程，重點(diǎn)介紹了電弧焊及電容（儲(chǔ)能用）焊螺柱的焊接設(shè)計(jì)。

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(píng)定要求、評(píng)定試驗(yàn)、焊機(jī)操作員資格、試生產(chǎn)的測(cè)試和工藝要求、生產(chǎn)中的制造安裝和檢查、制造商對(duì)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(guó)航空航天工業(yè)協(xié)會(huì)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(lèi)似。

日標(biāo)JIS B 1198:2011中對(duì)焊接螺柱材質(zhì)、機(jī)械性能、尺寸公差等進(jìn)行了介紹，對(duì)螺柱的焊接性能僅簡(jiǎn)要描述。

歐標(biāo)、美標(biāo)、澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織采用。

3 焊接螺柱產(chǎn)品機(jī)械性能對(duì)比

碳鋼焊接螺柱由熱軋盤(pán)條和熱軋圓鋼進(jìn)行冷鐓和冷擠壓成型，冷鐓和冷擠壓后材料的機(jī)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(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)中等級(jí)相近的碳鋼焊接螺柱產(chǎn)品機(jī)械性能進(jìn)行了對(duì)比。

表5 等級(jí)相近的碳鋼焊接螺柱機(jī)械性能對(duì)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(jī)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(guó)標(biāo)略有出入。日標(biāo)JIS B1198中焊接螺柱的機(jī)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(jī)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(píng)定試驗(yàn)、螺柱焊接端認(rèn)證，生產(chǎn)前控制、生產(chǎn)檢驗(yàn)等一系列內(nèi)容。國(guó)際上通常采用焊接螺柱與鋼板焊接后的焊接螺柱端來(lái)評(píng)價(jià)焊接螺柱產(chǎn)品質(zhì)量。焊接螺柱制造商通過(guò)焊接螺柱端的評(píng)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(cè)包括外觀檢查（目視）、彎曲試驗(yàn)、扭矩試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)、射線照相檢查、宏觀檢查（90°通過(guò)螺柱中心）等。上述所有檢測(cè)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、美標(biāo)和我國(guó)國(guó)標(biāo)中涉及抗剪型碳鋼焊接螺柱產(chǎn)品的質(zhì)量控制項(xiàng)。由于篇幅有限，其他材質(zhì)、類(lèi)型的焊接螺柱質(zhì)量控制點(diǎn)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(xiàng)

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

美標(biāo)與歐標(biāo)類(lèi)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(yàn)報(bào)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(jī)械試驗(yàn)。鋼材供應(yīng)商出具的認(rèn)證材料試驗(yàn)報(bào)告（CMTR）說(shuō)明交付產(chǎn)品的爐號(hào)、直徑、化學(xué)性能和等級(jí)等。

國(guó)標(biāo)中涉及焊接螺柱的質(zhì)量控制項(xiàng)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(duì)焊接螺柱的尺寸、機(jī)械性能進(jìn)行了規(guī)定，對(duì)碳鋼電弧焊接螺柱的焊接端的拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)方法及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，方法及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)與GB 50661—2011和GB 50205—2020 一致。 GB 50661—2011 和GB 50205—2020 僅對(duì)碳鋼的電弧焊接螺柱的質(zhì)量控制內(nèi)容進(jìn)行了規(guī)定。兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的表述基本一致。

國(guó)標(biāo)中檢驗(yàn)項(xiàng)少于美標(biāo)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)體系。且國(guó)標(biāo)體系未見(jiàn)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置有關(guān)，建議國(guó)標(biāo)體系根據(jù)生產(chǎn)需求補(bǔ)充相關(guān)的內(nèi)容。

需要強(qiáng)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(yàn)還考慮了使用溫度的影響。當(dāng)使用溫度＞100 ℃時(shí)，可通過(guò)扭矩扳手試驗(yàn)檢驗(yàn)焊接螺柱焊縫的耐久性。此外，美標(biāo)在目視檢測(cè)中要求，當(dāng)發(fā)現(xiàn)無(wú)完整的360°飛邊時(shí)，補(bǔ)充15°彎曲試驗(yàn)；有螺紋時(shí)，需補(bǔ)充扭矩扳手的彎曲試驗(yàn)。國(guó)標(biāo)中無(wú)上述通過(guò)扭矩扳手的彎曲試驗(yàn)要求。

歐標(biāo)中拉伸試驗(yàn)、射線檢測(cè)在取樣時(shí)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(yàn)替代射線檢測(cè)的情況。

澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS 1554.2:2021 中檢驗(yàn)項(xiàng)內(nèi)容與AWS D1.1/D1.1M:2020 第9 節(jié)類(lèi)似，限于篇幅本文不再贅述。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)焊接螺柱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(duì)焊接螺柱研究最為深入、全面，且歐標(biāo)被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織采用。我國(guó)焊接螺柱系列標(biāo)準(zhǔn)則修改采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中不同類(lèi)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(xiàng)要求是在各結(jié)構(gòu)焊接標(biāo)準(zhǔn)中同步規(guī)定，未單獨(dú)形成標(biāo)準(zhǔn)；歐標(biāo)則對(duì)焊接螺柱單獨(dú)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)中等級(jí)相近碳鋼焊接螺柱母材化學(xué)成分進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，主要化學(xué)元素含量要求略有差異，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和歐標(biāo)的要求最嚴(yán)格，日標(biāo)和國(guó)標(biāo)次之，美標(biāo)和澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)最寬松。

將等級(jí)相近碳鋼焊接螺柱母材機(jī)械性能進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，美標(biāo)AWS D1.1/D1.1M:2020 的B 型抗剪螺柱機(jī)械性能與國(guó)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(guó)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(duì)焊接螺柱產(chǎn)品質(zhì)量控制項(xiàng)進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。國(guó)標(biāo)中僅對(duì)碳鋼電弧焊接螺柱的可焊性控制項(xiàng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。