基于ASMIXE的閥門堆焊工藝評(píng)定試驗(yàn)*

朱朝暉，童南青

(1.蘇州大學(xué)，江蘇 蘇州 215131;2.蘇州德蘭能源科技有限公司，江蘇 蘇州 215143)

1 引言

堆焊是用焊接方法在零件表面堆敷一層或數(shù)層具有一定性能材料的工藝方法，其目的在于使零件表面獲得具有耐磨、耐蝕等特殊性能［1］。堆焊在閥門焊接工作量中占有60%以上的比重，故堆焊工藝評(píng)定工作對(duì)于閥門企業(yè)有著重要的意義。

2 焊接工藝評(píng)定的重要性

工藝評(píng)定工作的流程如圖1所示。

圖1 框架流程圖

ASMEⅨ要求產(chǎn)品焊接工作必須按照經(jīng)過焊接工藝評(píng)定合格的焊接工藝規(guī)程(WPS)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行操作［2］。焊接工藝評(píng)定是保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量的重要措施，通過此項(xiàng)工作可以驗(yàn)證施焊單位擬訂的焊接工藝是否能滿足焊件預(yù)期性能，并對(duì)施焊單位現(xiàn)有工況下的生產(chǎn)加工能力進(jìn)行了認(rèn)可。同時(shí)，焊接工藝評(píng)定為編制焊接工藝規(guī)程提供了可靠的依據(jù)。

3 試件尺寸的確定

3.1 尺 寸

根據(jù)ASMEⅨQW-453說明，耐磨層或耐蝕層的堆焊評(píng)定用母材的尺寸不得小于6英寸×6英寸，或者采用與產(chǎn)品零件相同尺寸的母材試件［3］。從理論上講，采用與實(shí)際產(chǎn)品零件相同或者相似的母材來做評(píng)定試驗(yàn)，對(duì)于驗(yàn)證產(chǎn)品焊接接頭的性能更具說服力?？墒牵珹SMEⅨ優(yōu)先推薦使用大于等于6英寸×6英寸的試件，除了考慮到耐蝕層堆焊評(píng)定需要取彎曲試樣外，還在于ASME標(biāo)準(zhǔn)所提出的要求是從產(chǎn)品安全性角度出發(fā)給出的最低要求［4］，并且在不影響對(duì)焊縫性能的判定的條件下為了規(guī)范操作統(tǒng)一了試件尺寸。

由于閥門產(chǎn)品在口徑、溫度、壓力、介質(zhì)、流量控制等方面千差萬別，這就要求焊接工程師在做焊接工藝評(píng)定前務(wù)必知曉企業(yè)訂單產(chǎn)品的重要程度，從而決定是否采用與實(shí)際產(chǎn)品尺寸相一致的母材做評(píng)定試驗(yàn)。例如，某些質(zhì)量及安全等級(jí)高的船用閥門和核電閥門用戶會(huì)在技術(shù)規(guī)范中提出使用與產(chǎn)品尺寸及材料相一致的試件做評(píng)定試驗(yàn)。因此，焊接工程師必須參與合同評(píng)審工作。

3.2 尺寸與評(píng)定范圍

為了盡可能減少焊接工藝評(píng)定的數(shù)量，從評(píng)定范圍的角度考慮試件尺寸也很有必要。例如:企業(yè)需要做某種耐蝕層堆焊的工藝評(píng)定，根據(jù)企業(yè)的產(chǎn)品圖樣匯總出零件堆焊前的厚度都在30～50mm范圍，則試件的厚度選擇25mm更有利。原因在于ASMEⅨQW-453中1英寸(約25.4mm)是一個(gè)重要的數(shù)據(jù)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)有如表1所列。

表1 耐蝕層和耐磨層評(píng)定厚度范圍表［3］

針對(duì)上例，如果試件選用厚度為30～50mm范圍內(nèi)任何厚度，評(píng)定厚度范圍均為1in.(1英寸)～+∞，而實(shí)際取25mm(約1英寸)就能實(shí)現(xiàn)上述評(píng)定范圍。

另舉一例，某企業(yè)耐磨堆焊零件焊前的厚度都在15～25mm范圍，試件的厚度T又該選擇多少較合適呢?根據(jù)表1，選最小值15mm即可實(shí)現(xiàn)評(píng)定厚度范圍15～25mm。但筆者的工作經(jīng)驗(yàn)是取比15mm更小的常見數(shù)據(jù)10mm或12mm。因?yàn)楫a(chǎn)品規(guī)格的變化擴(kuò)大到12～25mm范圍時(shí)，不必僅因差3mm而重新做一次評(píng)定。

此外，如果制造廠的實(shí)際產(chǎn)品厚度范圍恰恰涵蓋了25.4mm(1英寸)，例如，厚度范圍是15～30mm，那么依據(jù)本規(guī)范，就只能做兩個(gè)工藝評(píng)定。其中，一個(gè)試件取25mm，另一個(gè)根據(jù)實(shí)際情況可取15mm。標(biāo)準(zhǔn)中將把1英寸(約25.4mm)作為一個(gè)臨界值是因?yàn)楦鶕?jù)焊接傳熱學(xué)，對(duì)于低碳鋼焊件當(dāng)厚度大于25mm時(shí)，焊接熱源被認(rèn)為是點(diǎn)狀熱源，在其表面的堆焊熔池產(chǎn)生的溫度場(chǎng)是三維的。不銹鋼材料的界定厚度為20mm，但因?yàn)榇蠖鄶?shù)情況下不銹鋼是作為耐蝕金屬熔敷于碳素鋼或低合金鋼基體表面，故規(guī)范中僅有1英寸這個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

根據(jù)上例可知，工程師在做焊接工藝評(píng)定方案時(shí)應(yīng)充分了解產(chǎn)品規(guī)格及產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合對(duì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容深度理解才有可能在滿足規(guī)范的條件下盡可能減少工藝評(píng)定的數(shù)量。

4 預(yù)備焊接工藝規(guī)程(PWPS)

預(yù)備焊接工藝規(guī)程(PWPS-Prior Welding Process Specification)應(yīng)在執(zhí)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)前獲得批準(zhǔn)，可由有資質(zhì)的焊接工程師依據(jù)企業(yè)的近似產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)值給出，如果沒有近似產(chǎn)品也可以參考業(yè)界其他企業(yè)的參數(shù)。

由于ASMEⅨ卷中并沒有術(shù)語預(yù)備焊接工藝(PWPS)，但是通讀ASMEⅨ可看出焊接工藝規(guī)程(WPS-Welding Process Specification，也被稱為焊接作業(yè)指導(dǎo)書)是工藝評(píng)定工作的焦點(diǎn)。根據(jù)QW-100.1的描述，WPS可列出各種重要的和非重要的變素，以及當(dāng)采用某WPS時(shí)，相關(guān)變素的容許范圍［5］。實(shí)際操作中一次工藝評(píng)定試驗(yàn)不可能涵蓋各變素的極限條件。例如，堆焊時(shí)采用最低層間溫度試驗(yàn)就不可能驗(yàn)證最高層間溫度。所以把針對(duì)某一工藝評(píng)定試驗(yàn)所做的焊接工藝規(guī)程稱為PWPS以區(qū)別于經(jīng)評(píng)定合格后編制的WPS，工作中也可以把PWPS看做試生產(chǎn)工藝規(guī)程或首件認(rèn)證工作的一部分。

5 試件的焊接

因?yàn)槎押覆牧贤饶覆?基體材料)特殊且經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，在滿足堆焊層性能前提下盡可能采用較少的焊接層數(shù)，這對(duì)實(shí)際生產(chǎn)成本控制很重要。因此，必須重視堆焊中稀釋率問題。

稀釋率通常用母材在堆焊熔敷金屬中所占的百分比來表示。如稀釋率10%熔敷金屬中含有10%的母材和90%的堆焊合金［6］。稀釋率增加則堆焊層本應(yīng)具有的特殊性能開始下降。但是過分強(qiáng)調(diào)低的稀釋率則容易導(dǎo)致堆焊焊縫出現(xiàn)未熔合的缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致堆焊層整體剝落。

鑒于上述原因，在焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)中應(yīng)注意以下情況。

(1)焊接層數(shù):宜選擇3～4層，對(duì)于耐磨合金堆焊盡可能選擇3層。

(2)稀釋率:在保證與母材間熔合的條件下第一層的稀釋率要盡可能低。具體措施涉及焊接參數(shù)間合理匹配，例如，為了降低稀釋率可降低第一層焊縫的熱輸入，其直接表現(xiàn)為減小焊接電流或者保持電流不變而提高焊接速度［7］。

(3)焊接操作:ASMEⅨ中指出進(jìn)行評(píng)定試驗(yàn)的焊工或焊機(jī)操作工應(yīng)是熟練的技工［5］。需要指出的是該熟練技工應(yīng)該是一名熟練的堆焊技工，而不是指要求一位高水平的對(duì)接焊或擅長其它接頭形式的焊工來完成。盡管對(duì)接焊焊縫的質(zhì)量要求看起來比堆焊對(duì)焊工操作技術(shù)要求更高，但實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)發(fā)現(xiàn)那些很熟練的對(duì)接焊焊工在堆焊評(píng)定試驗(yàn)中化學(xué)成分的檢測(cè)項(xiàng)目難以通過。究其原因在于長期的對(duì)接焊工作會(huì)讓焊工很注重焊縫的焊透程度，習(xí)慣于關(guān)注焊透程度必然在底層焊縫中停留較久引起較高的稀釋率，而堆焊焊縫的目標(biāo)不是焊透而是熔合即可。具體的操作方法是底層焊縫兩側(cè)不必要求等高的熔敷厚度，至第2和第3、4層通過在焊縫寬度兩側(cè)增加停留時(shí)間來彌補(bǔ)邊緣的熔敷厚度。

6 試驗(yàn)與檢驗(yàn)

根據(jù)QW-453中的注釋，耐蝕層的焊件焊后需要做表面滲透檢查、4個(gè)側(cè)彎試樣的試驗(yàn)和化學(xué)成分分析。對(duì)耐磨層的焊接試件要求做滲透檢查、硬度試驗(yàn)、宏觀試驗(yàn)和化學(xué)成分分析4個(gè)項(xiàng)目。其中，對(duì)化學(xué)成分檢測(cè)不是強(qiáng)制要求，當(dāng)有要求時(shí)才需要檢測(cè)。通常采購技術(shù)協(xié)議中會(huì)有相關(guān)約定。

當(dāng)所有上述試驗(yàn)項(xiàng)目由有資質(zhì)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)測(cè)試合格后，該工藝評(píng)定工作即基本完成，需要引起注意的是原始的試驗(yàn)報(bào)告、所有試樣、工藝評(píng)定試件殘留部分應(yīng)妥善保存留作補(bǔ)充試樣或見證用。

7 結(jié)語

閱讀標(biāo)準(zhǔn)文件如同學(xué)習(xí)法律法規(guī)，不結(jié)合實(shí)際應(yīng)用很難深刻理解。但是，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中總會(huì)發(fā)現(xiàn)按規(guī)范操作的過程中有諸多不明確的細(xì)節(jié)，這就要求工程師能翻來覆去地查閱相關(guān)章節(jié)，包括查找英文版規(guī)范以避免因翻譯導(dǎo)致的含義誤讀，同時(shí)需要查找相應(yīng)的ASME產(chǎn)品卷，才能識(shí)別具體與通用要求間的差異。

［1］ 周振豐，張文鉞.焊接冶金與金屬焊接性［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

［2］ 王希東.通用閥門焊接評(píng)定ASME和EN標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用［J］.閥門，2004(6):18.

［3］ ASME code，section Ⅸ QW-453，Welding and Brazing Qualifications 1998［S］.

［4］ 赫.漢伯瑞克.焊接評(píng)定中對(duì)ASME法規(guī)第Ⅸ卷的理解和應(yīng)用［J］.壓力容器，1988，5(1):64.

［5］ ASME code，section Ⅸ QW-100.1，Welding and Brazing Qualifications 1998［S］.

［6］ 美國金屬學(xué)會(huì).金屬手冊(cè)焊接與釬焊［M］.第8版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1984.

［7］ 高清寶，王德權(quán)，蘇志東.閥門堆焊技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1994.