鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝評(píng)定的優(yōu)化方法

達(dá)運(yùn)社 達(dá)卿文

（1.青島匯金通電力設(shè)備股份有限公司，青島266327；2.中國(guó)石油天然氣第七建設(shè)有限公司設(shè)計(jì)研究院，青島 266100）

合理、經(jīng)濟(jì)地選取焊接工藝評(píng)定項(xiàng)目，以較少的數(shù)量覆蓋較多的焊接需要是企業(yè)明智的選擇，同時(shí)以較小的經(jīng)濟(jì)成本，獲得性能滿意的焊評(píng)，是企業(yè)所期盼的事。

焊評(píng)是為驗(yàn)證所擬定的焊件焊接工藝的正確性而進(jìn)行的試驗(yàn)過程及結(jié)果的評(píng)價(jià)，即為了使焊接接頭的力學(xué)性能、彎曲性能以及其他性能符合規(guī)定要求，對(duì)預(yù)焊接工藝規(guī)程進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)和結(jié)果評(píng)價(jià)的過程，是保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量的首要的、重要的環(huán)節(jié)。施工單位首次采用的鋼材、焊接材料、焊接方法、接頭形式、焊接位置、焊后熱處理制度以及焊接工藝參數(shù)、預(yù)熱和后熱措施等各種參數(shù)的組合條件，應(yīng)在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件制作及安裝施工之前進(jìn)行焊接工藝評(píng)定[1]。其程序如圖1所示。

圖1 焊評(píng)程序

確定評(píng)定項(xiàng)目，是理論性與實(shí)踐性較強(qiáng)的工作，既要符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求，充分考慮覆蓋范圍，還要有一定的前瞻性。除應(yīng)能滿足施工需要和新產(chǎn)品開發(fā)的需要之外，還要有一定的技術(shù)儲(chǔ)備，應(yīng)注意各焊接工藝因素的相互影響和聯(lián)系。要結(jié)合企業(yè)的實(shí)際情況，既能滿足規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求，又要減少焊評(píng)數(shù)量，發(fā)揮事半功倍的效果。

1 擬定預(yù)焊接工藝規(guī)程（pWPS）

預(yù)焊接工藝規(guī)程（pWPs）是進(jìn)行焊評(píng)所需要的、預(yù)先制定的焊接工藝。它是施工單位根據(jù)所承擔(dān)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)形式，鋼材類型、規(guī)格，采用的焊接方法，焊接位置等所制訂的焊評(píng)方案，其內(nèi)容包括焊接方法、焊接參數(shù)以及相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)所確定的焊接因素。正確識(shí)別每個(gè)焊接因素，使之都要得到評(píng)定。要考慮各種焊接方法、焊接位置、焊材、母材類別及規(guī)格的覆蓋范圍。

（1）同種牌號(hào)鋼材中，盡量選用質(zhì)量等級(jí)高的鋼材。同種牌號(hào)鋼材中，質(zhì)量等級(jí)高的鋼材可替代質(zhì)量等級(jí)；若需要多種焊接位置時(shí)，首選向上立焊（線能量較大）；每一試件覆蓋的厚度范圍不重復(fù)或少重復(fù)。在擬定預(yù)焊接工藝規(guī)程（pWPs）時(shí)，選用表1的母材厚度，可以滿足常用鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的厚度覆蓋。

（2）無論是何種焊接接頭，應(yīng)盡可能地選用對(duì)接焊縫。全焊透或部分焊透的T形或十字形接頭對(duì)接與角接組合焊縫評(píng)定結(jié)果可替代角焊縫評(píng)定結(jié)果，充分滿足焊接接頭以及焊縫形式的覆蓋。

表1 焊評(píng)母材厚度選用表

（3）盡量選用非低氫性藥皮焊條，用非低氫性藥皮焊條代替低氫性藥皮焊條，盡量選用焊接性能可靠、焊接效率較高的CO2氣體保護(hù)焊；焊后熱處理的時(shí)間盡可能長(zhǎng)，以考慮可能出現(xiàn)的如返修、重復(fù)加熱等環(huán)節(jié)的時(shí)間，滿足熱處理的覆蓋范圍；焊接參數(shù)的選用，應(yīng)盡量選取較大的焊接參數(shù)（大的電流、電壓和較小的焊接速度），以增加焊接參數(shù)的覆蓋面。

2 評(píng)定預(yù)焊接工藝規(guī)程（pWPS）

按所擬定焊接工藝規(guī)程（pWPs）的內(nèi)容，在監(jiān)督人員監(jiān)督下，由施工企業(yè)中持證的焊接人員施焊。一般情況下，pWPs中的焊接工藝參數(shù)僅為參考，奔著有利于焊接質(zhì)量、操作方便的原則可以適當(dāng)?shù)刈儎?dòng)焊接參數(shù)，但自始至終都必須做好焊接記錄，內(nèi)容包括每道焊縫所采用的電流、電弧電壓、焊接速度、焊層厚度、預(yù)熱溫度和層間溫度等。外觀合格后，需進(jìn)行射線或超聲檢測(cè)并符合要求。之后應(yīng)按照文獻(xiàn)的要求，取樣進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)，并形成試樣理化試驗(yàn)報(bào)告[2]。

3 形成焊評(píng)報(bào)告（PQR）

焊評(píng)報(bào)告（PQR）是記錄驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)和檢驗(yàn)結(jié)果并對(duì)預(yù)焊接工藝規(guī)程（pWPs）進(jìn)行評(píng)價(jià)的報(bào)告。其數(shù)據(jù)是預(yù)焊接工藝規(guī)程（pWPs）實(shí)施過程中所形成的焊接記錄、性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)記錄，不能進(jìn)行任何的放大或縮小，要根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求判斷試樣性能指標(biāo)的符合性。如果合格，可將焊評(píng)報(bào)告（PQR）整理成具有指導(dǎo)意義的焊接工藝規(guī)程（WPs），否則找出原因后從頭開始，直至合格。

焊接線能量是由焊接熱源輸入給單位長(zhǎng)度焊縫的能量，為補(bǔ)加因素。它的考核是焊評(píng)報(bào)告（PQR）的核心。應(yīng)按照式（1）計(jì)算：

式中，k為熱效率，焊接方法不同，k值不同；q為線能量，J/cm；U為電弧電壓，V；I為焊接電流，A；v為焊接速度，cm/s。

焊評(píng)報(bào)告（PQR）應(yīng)按焊接記錄中實(shí)際焊接電流、電弧電壓和焊接速度記載，其中的焊接電流、電弧電壓是一個(gè)較小的范圍值。即使同一焊接方法施焊試件，由于打底焊、填充焊和蓋面焊所用焊條（絲）直徑不同，各道焊接線能量的大小各不相同，計(jì)算時(shí)，選擇該道（層）焊接電流、電弧電壓的最大值和焊接速度的最小值計(jì)算，該焊接接頭的線能量取各道線能量的最大值，但在沖擊試樣時(shí)，應(yīng)使沖擊試樣缺口通過最大線能量的所在的焊道部位。

焊接線能量反映了焊接電流、電弧電壓和焊接速度三大焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭熱循環(huán)的影響程度。線能量增大時(shí)，熱影響區(qū)的寬度增大，高溫的停留時(shí)間增長(zhǎng)；這時(shí)，冷卻速度減慢，易使奧氏體晶粒粗大，熱影響區(qū)沖擊韌度降低；適當(dāng)降低熱輸入量，奧氏體晶粒較細(xì)，組織細(xì)小，熱影響區(qū)沖擊韌度有很大提高。在進(jìn)行焊評(píng)時(shí)，應(yīng)盡量采用較大的焊接線能量，以增加覆蓋范圍；在焊接施工過程中（特別是低溫或超低溫環(huán)境下），應(yīng)盡量減小焊接線能量，以獲得較高的沖擊韌性。

4 制定焊接工藝規(guī)程（WPS）

在重要因素和補(bǔ)加因素不變的前提下，需要將在單一位置、單一焊材規(guī)格、較小范圍的焊接工藝參數(shù)等特殊環(huán)境下形成的焊評(píng)報(bào)告（PQR）變?yōu)榫哂兄笇?dǎo)意義的質(zhì)量可重現(xiàn)的焊接工藝規(guī)程（WPs）[1]。

制定焊接工藝規(guī)程（WPs）時(shí)，應(yīng)堅(jiān)持焊評(píng)報(bào)告（PQR）中的線能量不變的原則，根據(jù)不同的焊接位置、焊接材料，修訂焊評(píng)報(bào)告（PQR）中的電流、電弧電壓和焊接速度范圍值，便可以得到一組或多組電流、電弧電壓、焊接速度相協(xié)調(diào)的用于不同焊接位置的焊接參數(shù)，它便是焊接工藝規(guī)程（WPs）。

5 編制焊接作業(yè)指導(dǎo)書（WWI）

焊接作業(yè)指導(dǎo)書（WWI）是指導(dǎo)焊工正確地施焊，體現(xiàn)焊接質(zhì)量再現(xiàn)性的文件。其內(nèi)容不僅包括焊接工藝，還包括相關(guān)的加工和操作方法等內(nèi)容。不僅要針對(duì)具體產(chǎn)品的具體焊接接頭，還要考慮勞動(dòng)生產(chǎn)率、勞動(dòng)保護(hù)和焊工操作方便程度，以及焊接殘余應(yīng)力與變形和焊接缺陷等因素。只有焊接作業(yè)指導(dǎo)書（WWI）才能直接指導(dǎo)施工。

（1）編制焊接作業(yè)指導(dǎo)書（WWI）的直接依據(jù)是焊接工藝規(guī)程（WPs），而非焊評(píng)報(bào)告（PQR），更不是預(yù)焊接工藝規(guī)程（pWPs）。在編制產(chǎn)品焊接工藝規(guī)程時(shí)，應(yīng)十分注意焊接線能量的控制，盡量選擇較小的焊接線能量，每個(gè)焊接接頭的每個(gè)焊道（層）的線能量都不能超過焊接工藝規(guī)程（WPs）中的最大值。

（2）充分利用已有的焊評(píng)項(xiàng)目用于兩種或兩種以上焊接方法（或焊接工藝）焊接同一焊縫。

6 焊評(píng)中容易出現(xiàn)的幾個(gè)問題

（1）焊評(píng)報(bào)告、焊接工藝指導(dǎo)書、焊評(píng)記錄表等3份文件中的時(shí)間關(guān)系及電參數(shù)之間關(guān)系混亂。好多人錯(cuò)誤地認(rèn)為3份文件的時(shí)間順序?yàn)椋汉附庸に囍笇?dǎo)書—焊評(píng)記錄表—焊評(píng)報(bào)告。同時(shí)，錯(cuò)誤地認(rèn)為3份文件中的焊接參數(shù)（電流、電壓、焊接速度）是相同的關(guān)系。

（2）當(dāng)采用兩種或兩種以上焊接方法（或焊接工藝）進(jìn)行組合焊評(píng)時(shí)，彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)未能包含每一種焊接方法。正確的方法是：每一種焊接方法的焊縫區(qū)和熱影響區(qū)都要做彎曲和沖擊試驗(yàn)。如打底焊的焊縫金屬厚度小于沖擊試樣厚度時(shí)，可以與填充焊焊縫金屬聯(lián)合取樣。

（3）沖擊試驗(yàn)合格指標(biāo)。在有些焊評(píng)報(bào)告（PQR）中，特別是低溫高強(qiáng)鋼焊評(píng)，沖擊功剛剛符合規(guī)定要求，從標(biāo)準(zhǔn)角度來看是合格的，但從工程角度來看，沖擊功富裕量太小，在焊接過程中很難保證完全按工藝規(guī)程操作，而使沖擊韌性得不到保證。

（4）在有些焊評(píng)資料中，只有預(yù)焊接工藝工程（pWPs）和焊評(píng)報(bào)告(PQR)，最重要的焊評(píng)結(jié)果——焊接工藝規(guī)程（WPs）卻沒有；有些按照預(yù)焊接工藝工程（pWPs）編寫焊接作業(yè)指導(dǎo)書（WWI），這是錯(cuò)誤的。

7 結(jié)語

經(jīng)濟(jì)合理地進(jìn)行焊評(píng)，較少的焊評(píng)數(shù)量以覆蓋較多的焊接結(jié)構(gòu)，完全滿足鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求，是每個(gè)焊接技術(shù)人員的責(zé)任和擔(dān)當(dāng)。完整地、準(zhǔn)確地掌握和理解相應(yīng)的焊接規(guī)范并與實(shí)際很好地結(jié)合是做好焊評(píng)的前提和基礎(chǔ)。同時(shí)，充分利用焊評(píng)結(jié)果，靈活地將其組合為多組滿足要求的焊接工藝規(guī)程、焊接工藝指導(dǎo)書是保證焊接質(zhì)量的前提。