幾種典型焊接工藝評定分析

張 霞，曹彬彬

(泰安市特種設備檢驗研究院，山東 泰安 271000)

1 前 言

焊接作為特種設備生產中的關鍵環節，其質量控制方式層層相扣，從焊接材料、焊工作業資格到焊接工藝評定、焊接工藝實施均有嚴格的要求。其中焊接工藝評定是為驗證所擬定的焊件焊接工藝的正確性而進行的試驗過程及結果評價。

壓力容器制造中，焊接工作量約占30%～40%，焊接成本約占壓力容器制造總成本的40%～50%。焊接工藝評定更是焊接結構生產質量控制的一個重要步驟和環節[1]。焊接是壓力容器制造生產中一個比較復雜的環節，涉及到的內容較多，其中焊接工藝是較為重要的一個環節，會直接對壓力容器的最終使用質量造成影響，所以要對其進行嚴格的質量控制，具體可以通過工藝評定的方式來對焊接工藝進行優化和改良[2]。國際標準中的焊接工藝評定方法有5種，現在AWS D1.1《鋼結構焊接規范》已廣泛運用“焊接經驗”來進行工藝評定，另一種新趨勢是AWS B2.1推出的標準焊接工藝規程，近年來得到大力推廣[3]。國內的承壓設備焊接工藝評定標準現在執行NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》標準。承壓設備焊接工藝評定根據母材分類分組、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定。此種焊接工藝評定方法運用時過于繁瑣，在重新修訂標準時應當考慮成本節約、能源損失小的方向，同時對應應當考慮焊接質量與安全級別。

根據承壓設備焊接工藝評定給定的評定方法，考慮厚復合板焊接工藝評定力學性能的變化，借此對比焊接工藝評定給定的試驗方法及合格指標的合理性。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、力學性能等，對焊接過程中的難點進行討論，改善焊接工藝，為制造單位提供參考，避免因試驗工藝過程造成材料浪費及能源消耗。

2 典型焊接工藝評定分析

2.1 復合板焊接工藝評定

某制造單位Q345R+S30408復合板焊評(覆層參與強度計算)，板厚為(46+4)mm，其焊接參數基層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。焊后進行熱處理900～940℃，保溫60～70 min。

焊接完成后進行力學性能試驗，抗拉強度試驗結果見表1，沖擊試驗結果見表2。

表1 抗拉強度試驗結果

表2 沖擊試驗結果

焊接工藝評定中拉伸采用分片拉伸，由表1可以看出兩個拉伸試件一個加工為(25.1+23.4)mm，另一個試樣加工為(24.5+23.5)mm，但依NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》中C.2.4 a)，拉伸試樣應包括覆層和基層的全厚度，且C.2.5給出了計算公式，因此分層計算不符合要求。且根據6.4.1.5.1 c)，當試驗機能力限制不能進行全厚度的拉伸試驗時，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接近試驗機所能試驗的最大厚度。等分后的兩片或多片試樣試驗能代替一個全厚度試樣的試驗。由6.4.1.5.1c)與C.2.4 a)對比可以得出復合板(覆層參與強度計算)的拉伸試驗必須進行全厚度拉伸。因此拉伸試驗不符合NB/T 47014—2011的要求，必須重新進行取樣試驗。

根據表3可以得出采用全厚度進行拉伸試驗，抗拉強度較分片拉伸時提高了11%，達到560 MPa，同時解決了表1中拉伸試樣寬度小于20 mm的問題[4]。

表3 全厚度拉伸試驗結果

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

NB/T 47014—2011 中C.2.4 c)規定只需對基層進行沖擊試驗，通過表2可以得到復合板焊接工藝評定的沖擊試驗沖擊吸收功值，其中熱影響區的沖擊吸收功存在一個試件為20 J，由NB/T 47014—2011中6.4.1.7.3 b)鋼質焊接接頭沖擊吸收功平均值應符合設計文件及相關技術文件規定，且不低于NB/T 47014—2011表14中規定值，至多允許有1個試樣的沖擊吸收功低于規定值但不應該低于規定值的70%，從NB/T 47014—2011中表14查得該材料吸收功為≥24 J，焊接工藝評定單位認為20 J滿足70%(16.8 J)的要求，故該評定合格。但根據GB/T 713—2014中表2查得該材料的吸收功為≥41 J，因此焊接工藝評定應綜合這兩個標準的要求，并按照較嚴的標準來執行，綜合可得該材料的沖擊吸收功不得小于41 J，允許有1個試樣的沖擊吸收功低于規定值但不應該低于規定值的70%，可得允許最低值為28.7 J，故該報告的20 J沖擊功不符合要求，需重新進行沖擊試驗。表4為重新進行了沖擊試驗得到的沖擊吸收功，結果遠大于規定要求。

表4 沖擊試驗沖擊吸收功

2.2 雙相不銹鋼鋼焊接工藝評定

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℃。均未進行焊后熱處理。焊接試件力學性能符合標準要求，焊接工藝評定符合要求。

通過實際焊接操作發現，當焊接過程中層間溫度較高，超過上述給定層間溫度30℃時，所焊接的試樣較脆，彎曲試驗不合格。因此焊接過程中需要控制焊接層間溫度。沖擊試驗的沖擊吸收功焊縫較焊接熱影響區小，一般情況下，焊縫的沖擊吸收功較大，造成焊縫區沖擊吸收功較低的原因為析出M23C6和σ相，主要在鐵素體、奧氏體晶界和鐵素體內析出。隨著時效時間的延長，析出相逐漸長大并增多，沖擊功逐漸降低[5]。

3 結 語

針對特種設備焊接工藝評定復合鋼板力學性能的要求，提出分層取樣和全厚度取樣的差別及依據，同時結合部分標準給出削薄處理的依據與優點；對于沖擊試驗的沖擊吸收功提出應遵守相應材料標準的要求；雙相不銹鋼的焊接工藝參數及層間溫度超標時力學性能的缺陷，同時闡明焊縫區沖擊吸收功的原因。