進(jìn)行CTOD試驗(yàn)的焊接工藝評定試板制備要點(diǎn)分析

摘要： 文中對雙面焊的大厚試板焊接工藝評定試板的制備過程制定了指導(dǎo)說明。針對大厚試板的制備過程的各個(gè)環(huán)節(jié)提出了合理做法，并結(jié)合作業(yè)特點(diǎn)，設(shè)定了合理的作業(yè)順序，提高試板制備效率。針對熱影響區(qū)CTOD試樣容易出現(xiàn)無效試樣的情況，明確了在試板焊接時(shí)應(yīng)關(guān)注的操作要點(diǎn)，提高獲取熱影響區(qū)CTOD試樣的有效率。

關(guān)鍵詞： 焊接工藝評定試板制備；CTOD試板；大厚試板；試板焊接控制

中圖分類號： TG 47

Analysis of Key Points in Preparation of Welding Procedure Qualification

Test Coupons for CTOD Test

Wang Shida，Zhu Yongqiang，Liu Dawei

（Penglai Jutal Offshore Engineering Heavy Industries Co.，Ltd.，Penglai 265607，Shandong，China）

Abstract： This article provides guidance on the control of the welding process for double-sided welded large thickness test coupons. Reasonable methods have been proposed for each stage of the preparation of large thickness test coupon， and a reasonable operation sequence has been set based on the characteristics of the operation to improve the efficiency of test coupon preparation. In response to the situation where HAZ CTOD specimens are prone to invalid specimens， the operational points that should be paid attention to when welding the test coupon were clarified to improve the efficiency of obtaining HAZ CTOD specimens.

Key words： preparation of welding procedure qualification test coupons; coupon for CTOD specimen; large thickness test coupon; test coupons welding control

0前言

服役年限長的大厚構(gòu)件的焊縫在一些標(biāo)準(zhǔn)中要求進(jìn)行焊后熱處理的同時(shí)也允許在滿足相關(guān)要求時(shí)可免除焊后熱處理，其中，免除焊后熱處理的要求之一是在現(xiàn)場構(gòu)件所采用的焊接工藝的評定試驗(yàn)中增加裂紋尖端張開位移（Crack Tip Opening Displacement，CTOD）試驗(yàn)且試驗(yàn)結(jié)果滿足相關(guān)要求，這種情況下，試板厚度的覆蓋要求較常規(guī)焊接工藝評定試驗(yàn)的更為特殊（例如：DNV-OS-C401[2]中對于有CTOD試驗(yàn)的焊接工藝的厚度覆蓋范圍為0.5t～1.1t（t為板厚）），焊接工藝評定試驗(yàn)中的試板通常會(huì)很厚。

從而CTOD試板需嚴(yán)格控制試板的角變形及取熱影響區(qū)試樣的試板的焊后坡口直邊的完整性，以保證能夠獲得標(biāo)準(zhǔn)要求的試驗(yàn)位置與熔合線的偏差距離。

焊接工藝評定試板的制備一般會(huì)涉及到材料檢驗(yàn)、下料、試板組對、試板焊接、試板無損檢測以及可能會(huì)用到氣刨、打磨、烤火、吊裝等，有些過程對于采用大厚板的焊接工藝評定試驗(yàn)顯得更加不便，由于試板厚重，在試板的制備中，焊接量很大，且試板的移動(dòng)、翻轉(zhuǎn)需使用起重設(shè)備。合理安排試板制備的各過程，將極大的提升試板制備過程中對起重、焊接、打磨、氣刨/火焰切割等資源的合理利用，提高試板制備效率。

以公司承建的某導(dǎo)管架建造項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目涉及了大量大厚板的焊接，根據(jù)項(xiàng)目要求需進(jìn)行涉及CTOD試驗(yàn)的采用大厚試板的10個(gè)焊接工藝試驗(yàn)。

1CTOD試樣及取樣介紹

對于厚度超過50 mm的試板的CTOD試樣，DNVGL-OS-B101[1]的要求為：

（1）試樣寬度B應(yīng)為試板的全厚度，即當(dāng)加工試樣時(shí)，寬度B應(yīng)至少為0.9 t（t=試板厚度）；

（2）熱影響區(qū)試樣所試驗(yàn)到的靶向位置（即：試驗(yàn)位置距離熔合線dw≤0.5 mm的試驗(yàn)位置長度之和）在試樣中間75%的厚度范圍內(nèi)應(yīng)達(dá)到0.15t（t為試板厚度）或12 mm的小值（如圖1）。

CTOD試樣尺寸有B*B和B*2B兩種形式的，典型的試樣如圖2所示。

根據(jù)項(xiàng)目要求，焊接工藝評定試驗(yàn)中的CTOD試樣取試樣長度方向垂直于焊縫長度方向、開缺口方向平行于焊縫長度方向的NP試樣，如圖3所示；并對焊縫中心和熱影響區(qū)兩個(gè)位置進(jìn)行試驗(yàn)，即預(yù)制裂紋應(yīng)處于相應(yīng)的試驗(yàn)位置上。2試板制備要點(diǎn)分析

2.1試驗(yàn)用料準(zhǔn)備

對于試件尺寸的確認(rèn)，應(yīng)分別考慮對各尺寸的影響因素，分別如下：

（1）確定試板厚度的考慮因素：焊接標(biāo)準(zhǔn)/焊接規(guī)格書的要求

（2）確定試板寬度的考慮因素：焊評標(biāo)準(zhǔn)要求、UT檢驗(yàn)需求、破壞性試驗(yàn)橫向試樣的長度；

（3）確定試板長度的考慮因素：焊評標(biāo)準(zhǔn)要求、破壞性試驗(yàn)橫向試樣的寬度、破壞性試驗(yàn)縱向試樣的長度、試樣數(shù)量、備用樣數(shù)量；

涉及CTOD試驗(yàn)的試板一般比較長，長度過長的試板應(yīng)進(jìn)行分段下料，各分段的長度應(yīng)考慮試板焊接時(shí)的長度限制以及避免出現(xiàn)過大切割變形的切割長度限制，且每一段長度不應(yīng)短于焊評標(biāo)準(zhǔn)要求的最小長度。

試板的坡口形式可以采用X形加K形的組合或K形，X形只能用于試驗(yàn)位置焊縫中心，K形可用于試驗(yàn)位置熱影響區(qū)。需要注意的是K形坡口由于直邊的存在，從對坡口面熔合的角度來看，其焊接難度較X形坡口的大，但如果要求不允許采用X形坡口進(jìn)行試驗(yàn)，那么只能采用焊接難度較大的K形坡口。

試板下料前應(yīng)根據(jù)材質(zhì)證書核查材料、并進(jìn)行諸如爐批號等的信息轉(zhuǎn)移，試板下料后應(yīng)無明顯變形（翹曲、歪斜等），直坡口的坡口面應(yīng)與板表面垂直，且無割痕等切割缺陷。

根據(jù)焊接量準(zhǔn)備足夠數(shù)量的瑪排（建議每500 mm長的試板放一塊瑪排；如果試板很厚或瑪排較薄，需提高瑪排布置的密度），為提高瑪排的利用率，瑪排一側(cè)開缺口，典型的瑪排如圖4所示。圖中L為瑪排長度，建議比組對后試板總寬度小30 mm（每端小a=15 mm）；t為厚度，建議20～30 mm；W為瑪排寬度，建議200～300 mm；f為缺口寬度，取值試板坡口寬（Gw）加20 mm（每側(cè)b=10 mm）；e為缺口高，建議20～30 mm。

引弧板的坡口角度應(yīng)與試板的坡口角度保持一致。數(shù)量為每個(gè)試板對應(yīng)兩個(gè)引弧板（試板的一端一個(gè)引弧板）。

由于試板較重，應(yīng)準(zhǔn)備吊耳。吊耳根據(jù)起重吊鉤等的零部件尺寸進(jìn)行開孔。

2.2焊前準(zhǔn)備

直坡口試板的坡口面如果有割痕等切割缺陷，需在試板上進(jìn)行標(biāo)記，CTOD試樣的試驗(yàn)位置不應(yīng)取在該位置。試驗(yàn)位置取在該位置的試樣，視缺陷深淺，大概率會(huì)是無效試樣（試驗(yàn)位置不在靶向位置上）。

試板坡口面及其相鄰25 mm范圍內(nèi)的試板表面應(yīng)進(jìn)行徹底打磨，應(yīng)避免出現(xiàn)影響焊接質(zhì)量的深溝磨痕，對于直坡口的坡口面任何深溝磨痕都不允許存在，如果有少量的，需在試板上進(jìn)行標(biāo)記，CTOD試樣的試驗(yàn)位置不允許取在此位置。

采用瑪排進(jìn)行試板的組對，按照每1 m兩塊瑪排的密度布置瑪排，瑪排與試板的角焊縫應(yīng)布置在瑪排兩端及試板每側(cè)瑪排的半長長度（如圖5所示），焊角尺寸應(yīng)根據(jù)試板的厚度（焊接量）而定，進(jìn)行兩側(cè)角焊縫或單側(cè)角焊縫，兩側(cè)角焊縫時(shí)，兩側(cè)的角焊縫的焊接長度、焊角尺寸可以不同，即根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，避免試板焊后出現(xiàn)變形。

試板組對完成后在試板兩端分別加上引弧板。引弧板加上后，引弧板應(yīng)緊貼試板，如果縫隙較大應(yīng)對縫隙進(jìn)行焊接密封，以保證良好的引弧效果。

焊前預(yù)熱應(yīng)保證試板整個(gè)截面達(dá)到要求溫度，且試板長度方向的溫度應(yīng)均勻。預(yù)熱后如打磨過的區(qū)域出現(xiàn)銹蝕，在焊前應(yīng)至少用鋼絲刷清理干凈。大厚板的焊前預(yù)熱應(yīng)采用電加熱的方式，也可以選用烤把，但應(yīng)確保采取的是能夠使整個(gè)試板只存在小溫度梯度的升溫的烤火方式。

焊前進(jìn)行試板標(biāo)記，應(yīng)標(biāo)記出試板編號、第一焊接面，標(biāo)記位置應(yīng)在試板的兩個(gè)表面和某一側(cè)面（即：厚度面），如果試板有一側(cè)是直邊或返修工藝的原焊縫，需標(biāo)記出該直邊或原焊縫側(cè)。

2.3焊接過程

由于試板較厚且長，需配備維持層間溫度的工具。大厚板的焊接層間溫度應(yīng)采用電加熱的方式進(jìn)行維持，也可以選用烤把以方便焊接過程，但應(yīng)確保焊接過程中如出現(xiàn)層間溫度偏低的情況，應(yīng)立即進(jìn)行烤火升溫。

整個(gè)焊接過程，包括第一面和第二面的焊接，直邊側(cè)在試板中間厚度75%范圍內(nèi)的母材熔化深度應(yīng)均勻，應(yīng)避免出現(xiàn)咬肉。

焊接過程的打磨如傷到直邊，應(yīng)對傷到的位置進(jìn)行標(biāo)記。

焊縫中的熄弧點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行充分打磨，并對每一道焊完的焊道進(jìn)行充分處理（用鋼絲刷刷一下，必要時(shí)要進(jìn)行打磨）。

嚴(yán)格控制每一道的焊接熱輸入。

?；〈蚰ト鐐街边?，應(yīng)對傷到的位置進(jìn)行標(biāo)記。熱影響區(qū)CTOD試樣應(yīng)避免在該位置取樣。

焊接過程應(yīng)時(shí)刻關(guān)注試板的變形情況，如出現(xiàn)變形，則應(yīng)加焊瑪排，必要時(shí)增加瑪排數(shù)量。過大變形將造成試板無法取出所要求的CTOD試樣。

2.4氣刨清根

在完成第一面的焊接后，在試板已焊完面加上瑪排（圖6），之后再進(jìn)行試板翻身，移除瑪排后進(jìn)行第二面的清根?，斉诺囊瞥龖?yīng)避免傷到試板表面，一般是通過氣刨或火焰切割移除瑪排，移除位置距試板表面3～5 mm，之后通過打磨去除這3～5 mm，獲得平整的試板表面。在去瑪排時(shí)，如果傷到母材表面且凹坑深度大時(shí)，需進(jìn)行焊補(bǔ)，將凹坑補(bǔ)平，以免影響到試板后續(xù)進(jìn)行的UT檢測。

為制備試驗(yàn)位置為焊縫中心的試樣的試板的清根按照正常作業(yè)要求清根即可。

為制備試驗(yàn)位置為熱影響區(qū)的試樣的試板的清根，如果清根位置位于試樣中間厚度75%范圍內(nèi)，需特別關(guān)注清根時(shí)不要傷到直邊，如果清根位置在試板中間厚度75%范圍以外，則按照正常作業(yè)要求清根即可。

氣刨清根如圖7所示，清根后的坡口理想狀態(tài)是直邊一點(diǎn)未傷、根部焊道的缺陷完全被去除，如圖7（a）所示，為達(dá)到這一理想狀態(tài)，清根時(shí)氣刨起點(diǎn)M應(yīng)距直邊有一定的距離且氣刨后槽邊沿距直邊p（如圖7（b）所示）通過打磨去除，p控制在0.5～1 mm較好，過大，打磨量太大，過小，氣刨容易傷到母材，打磨時(shí)不應(yīng)傷到直邊。清根后實(shí)際坡口如果傷到直邊，需檢查直邊所傷到的尺寸m，如圖7（c）所示，對于m值較大區(qū)域應(yīng)進(jìn)行標(biāo)記，CTOD試驗(yàn)區(qū)域應(yīng)避免取在該位置。

2.5焊后試板清理

將第二焊接面的試板表面清理干凈、平滑（達(dá)到能進(jìn)行UT的表面要求狀態(tài)），一般應(yīng)使用鋼絲刷進(jìn)行整面刷一下，然后翻身，去除第一焊接面的瑪排，去瑪排時(shí)避免傷到試板表面，通過打磨保證試板表面平整、用鋼絲刷整面刷一下。在去瑪排時(shí)，如果傷到母材表面且凹坑深度大時(shí)，需進(jìn)行焊補(bǔ)，將凹坑補(bǔ)平，以免影響到試板后續(xù)進(jìn)行的UT檢測。

3試板制備及結(jié)果

對于項(xiàng)目上需進(jìn)行的10個(gè)涉及CTOD試驗(yàn)的焊接工藝評定試驗(yàn)，項(xiàng)目要求使用厚度為項(xiàng)目最大板厚的90%的板進(jìn)行，試板焊后需根據(jù)AWS D1.1進(jìn)行UT檢測及力學(xué)性能試驗(yàn)，且每個(gè)試驗(yàn)均需根據(jù)ISO 15653[3]進(jìn)行一組焊縫中心、一組熱影響區(qū)的CTOD試驗(yàn)。

對于CTOD試驗(yàn)，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定一組試驗(yàn)中有3個(gè)試樣時(shí)以最小值為核準(zhǔn)值、有6個(gè)樣時(shí)以第2小的值為核準(zhǔn)值；從而，試樣數(shù)量按照每個(gè)位置6個(gè)、備用試樣每個(gè)位置3個(gè)進(jìn)行試板用料的尺寸評估，進(jìn)而，根據(jù)2.1的考慮因素，結(jié)合項(xiàng)目要求試板用料的尺寸確定為厚80 mm、寬350 mm、長1 200 mm，并確定出了引弧板、瑪排、吊點(diǎn)等輔助用料。

試板用料及輔助用料下料后根據(jù)2.2的焊前準(zhǔn)備進(jìn)行了組對前的坡口處理、檢查及標(biāo)記，并完成了試板組對；每個(gè)焊接工藝評定試驗(yàn)的試板包括兩塊，以滿足力學(xué)性能試驗(yàn)、焊縫中心CTOEVM1IqKDPwIbPD8XwLFL+g==D試驗(yàn)及熱影響區(qū)CTOD試驗(yàn)的取樣用料需求。試板的焊接按照2.3及2.4的操作要求進(jìn)行，在這一過程中，為便于操作，焊前預(yù)熱及層間溫度的維持使用火焰烤把進(jìn)行。之后，根據(jù)2.4進(jìn)行了試板的焊后清理。

在經(jīng)過項(xiàng)目要求的48 h后，對試板焊接接頭進(jìn)行了外觀檢查、MT檢測、UT檢測，結(jié)果表明焊縫外觀及內(nèi)部質(zhì)量均符合要求。在后續(xù)的力學(xué)性能及CTOD試驗(yàn)中，共進(jìn)行了63個(gè)CTOD試樣的試驗(yàn)，其中熱影響區(qū)試樣18個(gè)，均一次性完成，靶向位置的長度尺寸均能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求（實(shí)例如圖8所示），未出現(xiàn)由于試樣無效而重新取樣進(jìn)行試驗(yàn)的情況。

4結(jié)論

進(jìn)行CTOD試驗(yàn)的大厚板焊接工藝評定試件的制備從試驗(yàn)用板開始即應(yīng)綜合考慮后續(xù)檢驗(yàn)、試驗(yàn)的用料尺寸需求，而且輔助料包括吊耳、瑪排、引弧板等應(yīng)同步或提前準(zhǔn)備?，斉胖恍枰粋?cè)開缺口，無缺口的一側(cè)用于試板組對。試板第二面焊接完成后應(yīng)在翻面前進(jìn)行表面的處理以減少翻面次數(shù)，提高作業(yè)效率。

對于取HAZ位置的CTOD試樣的試板，應(yīng)及時(shí)標(biāo)記焊接前后及焊接過程出現(xiàn)的坡口損傷，并在背面清根過程中避免傷到直邊，可以提高獲得HAZ位置的有效CTOD試樣的概率。

參考文獻(xiàn)

［1］DNVGL.DNVGL-OS-B101 Metallic materials [S]. DNVGL， 2017.

[2]DNV. DNV-OS-C401 Fabrication and Testing of Offshore Structures [S]. DNV， 2021.

[3]ISO. ISO 15653 Metallic materials-Method of test for the determination of quasistatic fracture toughness of welds [S]. ISO 2010.

收稿日期： 2024-02-27

王世達(dá)簡介： 1986年出生，高級工程師，主要從事焊接工藝技術(shù)應(yīng)用的研究工作。