ASME IX和AWS D1.1在焊接工藝評定上的主要差異

王璐璐，劉偉，李娟

1.山東核電設(shè)備制造有限公司 山東海陽 265100

2.煙臺市核電設(shè)備工程技術(shù)研究中心 山東海陽 265100

1 序言

根據(jù)AP/CAP非能動壓水堆的設(shè)計要求，同一產(chǎn)品焊接制造會涉及兩份不同的焊接規(guī)范。如機械模塊，其容器設(shè)備、管道及支吊架等部件的焊接執(zhí)行《ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范》，而模塊的框架部分則執(zhí)行《AWS D1.1鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》（以下簡稱“AWS D1.1”）。因此同一產(chǎn)品的焊接工藝評定要進行《ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第IX卷焊接和釬焊評定》（以下簡稱“ASME IX”）和《AWS D1.1鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》兩套評定。為了減少工藝評定數(shù)量，節(jié)省成本，縮短工期，可考慮將兩個規(guī)范合并在同一焊接試板上進行工藝評定試驗，然后按照各自的覆蓋規(guī)則分別編制焊接工藝規(guī)程。

ASME IX由美國機械工程師學(xué)會編著，是針對ASME鍋爐、壓力容器、壓力管道焊接工藝和人員的評定要求。而AWS D1.1是由美國焊接學(xué)會結(jié)構(gòu)焊接委員會編著，包括鋼結(jié)構(gòu)焊接的設(shè)計、評定、制造、檢驗。因兩個標(biāo)準(zhǔn)所針對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式、使用工況、承載承壓等要求的不同，在焊接工藝評定規(guī)則上兩者的側(cè)重點也不同。本文從工藝評定焊接試板及其檢驗、試驗要求方面對比分析ASME IX和AWS D1.1標(biāo)準(zhǔn)的不同之處，提出合并評定時焊接試板、試樣、檢驗方法等的注意事項。同時總結(jié)概括兩個標(biāo)準(zhǔn)在母材、填充金屬、焊接位置和焊接參數(shù)等評定要素覆蓋方面的主要差異，供焊接工藝評定策劃和焊接工藝規(guī)程編制時參考。

本文的分析對比基于標(biāo)準(zhǔn)版本為ASME IX－2007+2008增補和AWS D1.1－2010。

2 焊接工藝評定試件分類

ASME IX認為焊縫是組成不同形式接頭的基礎(chǔ)，焊接接頭的使用性能由焊縫的焊接工藝來決定，因此焊接工藝評定試件分類的對象是焊縫而不是焊接接頭[1]，故將工藝評定試件分為坡口焊縫和角焊縫。試件所采用的母材可以是板材、管材或其他制品。

AWS D1.1對焊接工藝評定的焊縫分類更細化，根據(jù)母材制品形式、焊縫形式、接頭形式將工藝評定焊縫分為六種類型：①非管材連接的CJP坡口焊縫。②管材連接的PJP坡口焊縫。③管材和非管材連接的角焊縫。④管材連接的CJP坡口焊縫。⑤管材T、Y和K形連接的對接接頭PJP坡口焊縫。⑥管材和非管材連接的塞焊縫和槽焊縫。

對比發(fā)現(xiàn)ASME IX 和AWS D1.1在角焊縫的評定試驗?zāi)康?、試板和焊腳尺寸、試樣數(shù)量、規(guī)格及合格驗收標(biāo)準(zhǔn)和覆蓋范圍上均有較大差異，無法進行合并評定。因篇幅有限，本文主要針對實際生產(chǎn)中采用最多的板材全熔透坡口焊縫的焊接工藝評定進行兩者的差異對比。

3 評定試件及檢驗要求對比

3.1 試板尺寸

對于板材的全熔透坡口焊縫焊接工藝評定試件，ASME IX僅要求焊接試板尺寸足夠切取試樣，未規(guī)定試板尺寸具體值。而AWS D1.1中規(guī)定了焊接試板長度和寬度的最小值要求，單邊板最小寬度為180mm，最小長度根據(jù)試板厚度、彎曲試樣方向及是否有沖擊試驗要求確定。同時AWS D1.1中標(biāo)注了試板橫向應(yīng)為鋼板的軋制方向，不過為非強制要求。

3.2 試板檢驗要求

ASME IX認為焊接工藝評定考察的是焊接接頭的力學(xué)性能，因此對焊接工藝評定接頭只規(guī)定了力學(xué)性能試驗，未明確要求焊縫表面及體積檢測[2]。

AWS D1.1中明確要求進行力學(xué)試驗之前應(yīng)對試板中整個焊縫長度進行目檢和無損檢測以證實焊縫完好。

3.3 力學(xué)性能試驗

（1）試驗項目和數(shù)量 ASME IX 和AWS D1.1關(guān)于坡口焊縫力學(xué)性能試驗項目和數(shù)量的要求匯總，見表1。

表1 ASME IX 和AWS D1.1坡口焊縫力學(xué)性能試驗項目和數(shù)量

由表1可以看出，兩標(biāo)準(zhǔn)試驗項目的主要差別是：對于10mm＜t＜19mm的試板，ASME IX要求的是面彎和背彎試驗，可采用側(cè)彎試驗代替；而AWS D1.1要求進行側(cè)彎試驗。為同時滿足兩個標(biāo)準(zhǔn)，合并評定時，此厚度的試板彎曲試驗應(yīng)采用側(cè)彎試驗。

兩者關(guān)于試樣的取樣位置和順序要求基本相同，需要注意的是：AWS D1.1中標(biāo)明了沖擊試驗試樣的取樣位置在拉伸和彎曲的中間部位，ASME IX對沖擊試樣的取樣位置無明確說明。

（2）試樣尺寸 試驗采用的彎曲試樣尺寸，ASME IX 和AWS D1.1的規(guī)定無明顯區(qū)別，拉伸采用的縮減斷面試樣尺寸基本相同，有以下兩點小差異。

第一，對于厚度超出試驗機拉伸能力的試件，ASME IX和AWS D1.1均允許將試件分割成多個等厚試樣代替全厚度試樣，不同點為：①ASME IX中允許分割的試件厚度為＞25mm，而AWS D1.1為＞38mm。②ASME IX規(guī)定應(yīng)根據(jù)設(shè)備可試驗的最大能力分割成最少條數(shù)，而AWS D1.1要求分割的每個試樣的厚度應(yīng)至少為20mm。

第二，ASME IX 和AWS D1.1對縮減斷面的長度均要求為“焊縫最寬處的寬度+12mm”，但AWS D1.1還要求縮減斷面的長度≥60mm。

合并評定時，若拉伸試樣無法同時滿足兩個標(biāo)準(zhǔn)的要求，則應(yīng)該按不同的要求取兩套試樣進行試驗。

（3）試驗方法 ASME IX 和AWS D1.1焊接工藝評定拉伸試驗和彎曲試驗的試驗方法是相同的。但選擇彎曲試驗夾具尺寸時，應(yīng)符合兩標(biāo)準(zhǔn)各自的要求。ASME IX中彎曲試驗夾具尺寸與母材的分組、伸長率、試樣厚度有關(guān)，AWS D1.1則主要根據(jù)母材屈服強度確定彎曲試驗夾具尺寸。對于常用的碳素鋼和低合金鋼（屈服強度≤345MPa，伸長率≥20%）的10mm厚彎曲試樣，兩者的試驗夾具尺寸相同。

（4）驗收標(biāo)準(zhǔn) 拉伸試驗的合格判據(jù)，ASME IX 和AWS D1.1均要求為“抗拉強度不低于母材規(guī)定的最小抗拉強度”，但ASME IX對試樣斷在焊縫或焊縫界面以外的母材上的情況有稍微的放寬：“只要強度低于母材規(guī)定最小抗拉強度的量不超過5%，可認為試驗滿足要求”。

在彎曲試驗驗收標(biāo)準(zhǔn)上，兩者關(guān)于角部裂紋的判定有所差異：ASME IX 規(guī)定“有確切證據(jù)表明試樣邊角部位出現(xiàn)的開口缺陷是由于未熔合、夾渣或其他內(nèi)部缺陷所造成時才予以考慮”。而AWS D1.1對角部裂紋有嚴(yán)格要求，“最大不能超過6mm：由可見夾渣或其他熔化型缺陷所致的角部裂紋，最大只能為3mm；角部裂紋超過6mm而無夾渣或其他熔化型缺陷的試樣要摒棄，重新取樣進行試驗?！惫蕦澢囼灲Y(jié)果評定時，應(yīng)關(guān)注角部裂紋的驗收判斷。

（5）重新試驗 ASME IX規(guī)定“如試驗不合格，則認為該試件失敗。當(dāng)能確定試件失敗原因與焊接參數(shù)無關(guān)時，才可以在盡可能鄰近原來試樣的位置重新取樣以代替失敗的試樣”。而AWS D1.1允許加倍試驗：“如果一個試樣不符合試驗要求，則再取該項目的兩個試樣重新試驗，結(jié)果均應(yīng)符合要求?！?/p>

3.4 小結(jié)

通過對ASME IX 和AWS D1.1焊接工藝評定規(guī)范中板材全熔透坡口焊縫試板尺寸、檢驗要求、力學(xué)性能試驗等方面對比，可知兩者存在的差異較小，可進行合并評定，但在合并評定時需注意兩者的不同之處，確保同時滿足兩個標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 焊接要素覆蓋注意事項

合并評定合格后，應(yīng)分別依據(jù)兩個標(biāo)準(zhǔn)的焊接要素覆蓋原則編制焊接工藝規(guī)程（WPS）。在此，針對核電產(chǎn)品常用的熔化極氣體保護焊、焊條電弧焊、鎢極氣體保護焊總結(jié)幾個關(guān)鍵焊接要素上兩者的主要差異，以供參考。

（1）焊縫類型 ASME IX所有坡口焊縫試驗的評定可覆蓋所有母材厚度和所有直徑母材上的所有角焊縫尺寸，板材和管材的焊接評定相互適用；而AWS D1.1中各焊縫類型相互之間的評定覆蓋有一定的限制和補充要求。例如，板材的CJP坡口焊縫評定僅適用于圓管的縱縫和外徑≥600mm的環(huán)縫；CJP坡口評定覆蓋角接或T形接頭的PJP坡口焊縫，需補充宏觀腐蝕試驗驗證焊縫尺寸。

（2）坡口形式 ASME IX中焊接坡口形式和尺寸除對等離子弧焊、電子束焊、激光焊等高能量焊接方法是重要或附加重要變素外，對于常規(guī)的熔化極氣體保護焊、焊條電弧焊、鎢極氣體保護焊、埋弧焊等均為非重要要素，改變坡口形式和尺寸不需要重新評定。而AWS D1.1中坡口類型及尺寸的改變?nèi)绯銎涞?章免除評定坡口的要求，則需要重新評定。

（3）母材厚度 相對于AWS D1.1，ASME IX母材評定厚度的限制更復(fù)雜些，見表2。AWS D1.1中，無論試板厚度，評定厚度下限均為3mm；試板厚度＜25mm，評定厚度上限為2t；≥25mm時，評定厚度上限無限定。而ASME IX對不同試板厚度區(qū)間的評定下限和上限規(guī)定是不同的。

表2 ASME IX 和AWS D1.1評定厚度范圍的對比

（4）熔敷金屬厚度 ASME IX對焊縫熔覆金屬有評定的最大厚度限制，AWS D1.1中沒有關(guān)于熔敷金屬厚度的評定要求。

（5）母材組別 AWS D1.1鋼結(jié)構(gòu)采用母材主要為碳素鋼和低合金鋼，根據(jù)母材強度級別分為四個組別。而ASME IX因涵蓋母材種類較廣泛，包括碳素鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅、鋁、鎳及鈦等，故對母材指定了類別P-No.或S-No.，在類別下又對要求沖擊韌度的鐵基材料指定了組別Group-No.，覆蓋時，不僅要考慮類別還應(yīng)考慮組別。

（6）填充金屬 ASME IX為減少工藝評定數(shù)量，根據(jù)使用特性和化學(xué)成分對填充金屬進行了分組，通過F-No.、A-No.的改變來控制填充金屬的評定范圍；而AWS D1.1未對填充金屬進行分組，主要通過填充金屬的強度級別和焊材標(biāo)準(zhǔn)等進行評定范圍控制。另外，ASME IX中對填充金屬制品形式、合金元素成分的改變有限制，AWS D1.1則對填充金屬直徑的變化限制更嚴(yán)格。

（7）焊接位置 當(dāng)無沖擊要求時，ASME IX中任一焊接位置的評定可覆蓋全位置的焊接。而AWS D1.1對焊接位置的覆蓋則限制較嚴(yán)格，例如，要覆蓋板材全位置焊接，需進行2G、3G、4G多個位置的評定。

（8）焊接參數(shù) 以熔化極氣體保護焊為例，ASME IX和AWS D1.1關(guān)于焊接參數(shù)評定范圍的限制對比，見表3。顯然，AWS D1.1較ASME IX在預(yù)熱溫度、保護氣體流量、焊接電流、電壓、速度等參數(shù)上的限制更嚴(yán)格[3]。工藝評定時需合理設(shè)置焊接參數(shù)，以便實際生產(chǎn)時能將焊接參數(shù)控制在評定范圍內(nèi)。

表3 ASME IX和AWS D1.1關(guān)于GMAW焊接工藝評定參數(shù)范圍限制的比較

從焊接要素覆蓋上講，ASME IX和AWS D1.1有各自體系下不同的覆蓋規(guī)則，不能一概而論。相對而言，AWS D1.1在諸多要素的評定覆蓋范圍上嚴(yán)于ASME IX的要求，對于同樣的產(chǎn)品接頭，可能需要的工藝評定數(shù)量較多。不過，AWS D1.1根據(jù)多年的鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)實踐，提供了可免除評定試驗的WPS。當(dāng)焊接方法、母材與填充金屬組合、預(yù)熱溫度、道間溫度、焊接參數(shù)、接頭和焊縫尺寸、焊后熱處理等要素滿足規(guī)范要求時，可直接編制WPS，在保證焊接質(zhì)量的同時，為承包商的施工提供了方便[3]。

5 結(jié)束語

ASME IX和AWS D1.1標(biāo)準(zhǔn)在板材全熔透坡口焊縫評定試件的檢測要求和力學(xué)性能試驗項目、試樣尺寸、驗收標(biāo)準(zhǔn)及重新試驗上有略微的差異，主要包括以下幾方面：①試板尺寸最小值要求。②試板目視和無損檢測要求。③彎曲試驗類型。④沖擊試樣取樣位置。⑤拉伸試樣尺寸和厚試樣分割要求。⑥彎曲試驗夾具尺寸。⑦彎曲試驗角部裂紋判定。⑧試驗不合格處理方式。

總之，ASME IX和AWS D1.1是兩套不同體系的標(biāo)準(zhǔn)，在諸多方面存在差異，因篇幅有限，本文僅指出了其中主要的差異以供參考。實際工藝評定過程中，應(yīng)根據(jù)具體情況，全面細致地分析各標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。合并評定時，應(yīng)綜合考慮兩者的要求，選擇較高要求執(zhí)行，確保試驗過程同時滿足兩者的要求。若無法同時滿足兩個標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)分別進行評定試驗。編制焊接工藝規(guī)程時，應(yīng)在兩個標(biāo)準(zhǔn)體系各自的原則下考慮各要素的覆蓋范圍，注意兩者在母材厚度、焊接位置、焊接參數(shù)等要素上的限制差異，避免超范圍覆蓋。