焊工资格评定中理化试验常用国内外标准的分析与应用
时间：2023-04-18 10:05:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
王晓璇
海洋石油工程股份有限公司 山东青岛 266520
世界权威焊接机构发布的常用焊接标准中有3个标准经常运用，版本分别为：中国船级社（CCS）发布的《材料与焊接规范：2006》(在本文中简称为CCS标准)、美国焊接学会（AWS）发布的《AWS D1.1/AWS D1.1M钢结构焊接规范：2006》（在本文中简称为AWS标准）和美国机械工程师协会（ASME）发布的《锅炉及压力容器规范第IX卷焊接和钎接评定：2017（焊接和钎接工艺，焊工、钎接工、焊机和钎机操作工的评定标准）》（在本文中简称为ASME标准）。
在焊工资格评定理化试验中，常见的有：弯曲试验、宏观腐蚀试验、角焊缝破断试验及金相检测等，现分析和比较最常用的前3种试验，分别在取样方法、试样尺寸、试验过程等几个方面，得出这3种标准的异同，以便这些标准在焊工资格评定工作中能更高效、更便捷地运用。
弯曲试验是焊工资格评定中数量较多、较常用的力学性能试验，且是一种成熟、有效的判定焊工实际焊接水平的力学性能试验。各大标准的要求也较类似，细节的要求有所区别，现就这3个标准的异同进行对比。
2.1 CCS标准
对弯曲试件尺寸的要求，CCS标准和其他标准的要求比较类似。CCS标准在正弯和反弯试样的尺寸选择上，对铝合金试样做了进一步的详细规定，这是与其他标准规定不同的地方。弯曲试样厚度应为母材厚度，当试验材料的厚度＞25mm时，弯曲试样的厚度可以减薄至25mm。对于铝合金来说，弯曲试样的厚度可取母材的全厚度。对于板试样来说宽度为30mm，管试样宽度为试样厚度加0.1倍的管试样外径，因此应为10～30mm[1]。同时，对于板试验的尺寸要求也与其他标准不同，试样的规定宽度为30mm。
通常，可根据试验材料的强度选择压头直径。当材料强度＜400MPa时，压头直径为4倍试样厚度。试验材料强度为400～500MPa时，压头直径为5倍试样厚度。当试验材料强度为500～690MPa时，压头直径为6倍试样厚度。对于一部分的铝合金材料，压头直径可取6倍试样厚度。其余大部分铝合金压头直径取4倍试样厚度，弯曲角度为 180°[1]。
由此可见，CCS标准没有规定试验材料强度＞690MPa时的压头直径。CCS标准除了对钢材的规定外，还对铝合金的弯曲试验做了详细的规定和分类，对不同种类的铝合金材料弯曲试验的压头直径分别做了说明，这是与其他标准的显著不同。
弯曲试验结果不合格时，可在原试件上或在用同一批试验材料以同样工艺重新焊制的试件上，对不合格项目制取双倍试样进行复试。复试结果应全部合格[1]。这点与大多数的标准规定相似，都需要重新焊接。有一点在实际操作中需要格外注意，重新焊接指的不是与测试焊缝的同一片试板或试管上取得另一个试样。
对弯曲试验结果的判断为：试验后，试样表面上出现的裂纹或其他缺陷长度应≤3mm[1]。试样结果判断标准与其他的标准有所不同，此标准没有考虑试样的边角处有裂纹等缺陷的情况，在判断试样是否合格时，由试样边角处裂纹等缺陷导致的试验结果不合格的概率加大。同时，对试验结果的判断上，此标准也没有考虑到缺陷长度累积的情况，若实际缺陷为连续气孔或连续夹渣，且缺陷长度都＜3mm，此标准认定这些缺陷的长度为合格。在焊工资格评定时，真实反映焊工实际水平的能力下降。由以上分析可知，此标准是否能准确地评定焊工操作水平还需进一步讨论。
2.2 AWS标准
对于弯曲试样尺寸的规定，AWS标准和其他标准有所不同。对于横向弯曲试样的要求根据焊件的不同尺寸有不同的要求：对于板材，焊件试样的宽度取40mm；
对于管材，直径≤4in（100mm）管材试样宽度为25mm；
直径＞4in（100mm）管材试样宽度为40mm[2]。由此可见，AWS标准根据试验对象的形式不同，试样尺寸则不同，这一点是与其他标准不同的地方。对于板材来说，尤其是较薄的板材，在实际取样时，有时很难取到足够宽度的试样，易对试验结果产生影响，这对较薄试样是否有取样长度过长等问题值得再次讨论。对直径较小的管材，例如φ20mm的小管，很难取得25mm宽度的试样。如果能取得试样，有时也会因为直径过小导致试样表面呈弧形，试验进行有一定困难。同时，在实际操作中，对＞φ100mm的试管，试样宽度为40mm。不考虑直径，在试管特别薄的情况下，对直径接近100mm的管子，在处理试样表面、取样和试验的过程中也会出现试样与试验机不匹配的情况。
对于弯曲试验合格判据，AWS标准与大多数标准相同的部分为：必须对已经弯曲的试样凸面表面缺陷进行目视检测。弯曲试验合格判据AWS标准有些和其他标准不同之处：合格试样表面的缺陷严禁超过表面任何方向上1/8in（3mm）。所有超过1/32in（1mm）但≤1/8in（3mm）的缺陷，将其各自最大尺寸加起来为3/8in（10mm）。最大角部裂纹1/4in（6mm），如角部裂纹由可见夹渣或其他熔化型缺陷所致，则裂纹最大值必须只能为1/8in（3mm）。角部裂纹超过1/4in（6mm）而并无夹渣或其他熔化型缺陷的试样必须摒弃，并必须从原焊件上另取试样重作弯曲试验[2]。由此可见，AWS标准对边角处的缺陷进行了特殊的说明，这是和其他标准不同的地方。很大程度上考虑到了试样边角处可接受的试样开裂情况，由于试验时应力集中于试样的边角处，使得极其微小的缺陷就会放大到不可接受，因此这种对边角处的特殊规定非常适用于实际操作。此要求在笔者看来十分合理，充分考虑了实际的试验情况。对于试验缺陷长度可累积的要求也十分符合实际对焊工资质的要求，实际操作中，焊工实际操作水平差异较大，对长度过长的连续小缺陷通常是不允许的。可见此标准充分考虑了焊工考试和试验的实际情况，也充分考虑了试验情况对焊工实际工作能力的考察。
2.3 ASME标准
ASME标准的弯曲试验是根据焊接金属的厚度得到不同的弯曲试验类型和试验数量：当材料厚度＜10mm时，可以取1个正弯、1个反弯。当材料厚度为10～19mm时，可以取2个侧弯。当材料厚度＞19mm时，可以取2个侧弯[3]。这与其他标准有所不同，ASME标准规定试样厚度＞10mm可以用侧弯试样代替正反弯试样，有些标准要求厚度＞12mm时可采用侧弯试样代替正反弯试样。尤其是对10～19mm厚度的试样，ASME标准还单独拿出来解释，试验可以取两个侧弯，这也是与其他标准不同的地方。在实际操作中，弯曲试验可以分为两种情况来进行，分别为厚度＜10mm和厚度≥10mm，这两种情况分别对应着1个正弯、1个反弯和2个侧弯。
根据焊接位置的不同，弯曲试验采用不同的试验数量，这点要求也与其他标准不同。通常，可取2个弯曲试验。当评定5G 或6G 位置时，共需准备4个弯曲试样，一种取样方式为4个侧弯，另一种取样方式为2个面弯、2个背弯；
为了在一个试样上能同时评定2G 和5G 位置，则共需6个弯曲试样，一种取样方式为6个侧弯，另一种取样方式为3个面弯、3个背弯。弯曲试样的形式应使试验在焊缝金属厚度上进行，可以用2个侧弯代替1个面弯和1个根弯[3]。
分析可得，在ASME标准中5G 或6G 位置和其他位置试验数量的不同即试验数量翻倍，可见ASME标准对此焊接位置的要求更加严格。同时此标准对2G 和5G 位置也做了试验数量上的特殊要求，更细致地提出了此位置的试验数量是常规的3倍，可见该标准对此焊接位置有了最高的要求。此处是ASME标准的要求和其他标准的明显不同。体现了该标准对实际操作情况和焊接操作人员实际水平的准确把握，对不同的焊接位置进行不同的检测考量，更符合实际的试验情况。这些与其他标准存在明显不同的要求，因此操作者在操作中一定要特别注意。
通常T、K、Y位置焊接的试件或一部分V形坡口的试样需要进行宏观腐蚀试验。宏观腐蚀试验是评价焊接质量和焊工操作水平的一种重要方法，此试验可直接观察热影响区、母材和焊缝的确切形状，有些能观察到每条焊道的清晰轮廓，是一种非常直观又重要的检测方法。
3.1 CCS标准
焊接试板填角焊和焊接管板角接头的试样通常要做2个宏观试验。试验合格判定标准为：应显示出焊缝成形良好、有足够的熔深（管板角接头根部应焊透），无裂纹、未熔合缺陷[1]。板对接焊和管对接焊的宏观检测需要每次检测一个宏观试样。合格标准为：在焊缝和热影响区内应无肉眼可见的任何缺陷[1]。
由以上对比可知，CCS标准对合格的判定标准比较严格，严禁任何表面有任何缺陷。此标准的表述也比较宽泛，所有的宏观结果都必须无任何缺陷，并没有允许一定情况的夹渣和气孔。但在实际操作中，是否允许少量的夹渣和气孔是一个可讨论的问题。
3.2 AWS标准
对T、Y 和K 形节点和6GR位置的焊接试样需取得4个宏观腐蚀试样，通常试样的表面需初步磨合，进行一定的抛光作业，使试样在腐蚀后能观察到清晰的母材、热影响区和焊缝区域。塞焊缝和角焊缝的宏观试样必须从试验接头上切取。宏观腐蚀试样的切取位置为：T、Y 和K 形节点从焊缝角部切取，6GR 位置的试样需要在6GR 位置切取[2]。通过分析可知，AWS标准要求的试验数量更多，是CCS标准的2倍，可见AWS标准对宏观检测的要求更加严格。
对于合格的判定也与CCS标准不一样。AWS标准宏观腐蚀试验合格判据的要求比较详细。对于焊脚和熔透的合格判定标准中，各个标准中都要求熔透并符合焊脚尺寸。
对于试样表面上的咬边和缺陷的表述，AWS标准就与CCS标准产生了很多不同，其要求也更加细致，更能真实地反映试验判定的合理性。比如对咬边的要求为：无超过1/32in（1mm）的咬边。
此标准对气孔和夹渣也有一定程度的允许，这真实地反映了实际焊接过程中，会不可避免地产生一些不连续，标准编写者认为这些不连续对焊接质量不会产生实质性的影响，可见标准编写者对这一点进行过综合性考量。比如对于气孔的要求为：≥1/32in（1mm）的气孔累积值不得超过1/4in（6mm）。对夹渣的要求为：无聚集的夹渣，最大夹渣尺寸的总和严禁超过1/4 in（6mm）。同时，标准对塞焊缝的要求也单独列出来，并对其中出现的夹渣现象做了单独要求：允许可见夹渣总累积长度不超过 1/4in（6mm）[2]。
通过对比可知，AWS标准对宏观腐蚀试验的要求更细致。此标准对试验结果的判定能充分地考量实际焊接情况和试验过程，在实际试验中是大力推荐的。
3.3 ASME标准
ASME 标准与其他标准不一样的地方有：ASME标准列出了试验用腐蚀剂的配方，腐蚀剂需按照QW-470进行腐蚀。可见ASME标准不但对腐蚀过程和结果做了要求，并对腐蚀剂进行了细致要求，增加了试验过程和试验结果的可控性，提升了试验的可操作性，也提升了试验结果的可靠性。
与其他标准不同的是，ASME标准允许根部缺陷≤1∕32 in（0.8 mm）。同时还要求了焊缝尺寸：焊缝不得有＞1∕16in（1.5mm）的凸面或凹陷。同时也要求了角焊焊脚尺寸与其总长度的变化差异不得＞1∕8in（3mm）。同时对非P-No.1的材料焊接进行了特殊的说明：按QW-202.5的要求，当剪力钉与非P-No.1的材料焊接，需做宏观检测，为通过试验，5个剪力钉焊焊缝及其热影响区断面中的每一个在10 倍放大镜下进行检测时均应没有裂纹[3]。由此可见，ASME标准的要求更细致，区分了不同材料的试验结果判定标准，增加了可操作性，使试验数据更接近真实情况。在实际使用该标准时，应格外注意标准中对一些特殊情形的使用区别。
有时1个角焊缝试样上需取1个宏观试样和1个角焊缝破断试样。焊工考试中此项试验的数量较少，各标准对此项试验的要求差异不大，现分析如下。
4.1 CCS标准
板的填角焊有时要做角焊缝破断试验，需检测的范围为被检焊缝全长。通常在试样焊缝全长的两头各需去除25mm。板角接焊破断试样的破断面应显示出焊缝无裂纹、未熔合和未焊透缺陷，对夹渣和气孔应符合ISO 5817：2003和ISO 10042：2005中B级或其他相当标准的要求[1]。由此可见，CCS标准下，此试验的判定标准比较严格。
4.2 AWS标准
AWS标准对于断裂试验的要求比较详细，从试验的长度和试验力的加载情况到试样受拉后的状态都给出了详细的说明。试样的长度为150mm。试验力的加载位置为组装件的1/4段。试验力的加载状态必须使焊缝根部受拉，且受拉的位置必须有至少1个焊接引弧处或停弧处，并规定加载力可以反复加载。同时，规定了试样受力后的状态为试样破裂，或试样变成扁平状。
角焊缝破断合格判据上也有细致规定：至于破断试验之前目视检测合格，焊缝必须外观匀称，严禁有焊瘤、裂纹，以及超过标准要求所允许的咬边，焊缝表面严禁有可见气孔[2]。所有焊接处需完全熔合，可允许3/32in（2.5mm）的夹渣或气孔，最大尺寸总和严禁超过3/8in（10mm）。由此处分析可知，AWS标准对这种试验的详细规定，并且在实际操作中，具有实际的可操作性。
标准中还规定了焊工有补考的机会，即：实际测试中，可以有一次补考机会，且这次机会不用进行额外培训。这个规定对焊工能大幅提升检测合格率，有利于快速有效地进行焊工资质评定工作。
4.3 ASME标准
对于合格判定标准上：如果试样断裂，在断裂处应无裂纹或根部未焊透现象。同时在断裂面上，肉眼可见的夹渣和气孔的总长度对于图QW-462.4（b）所示的试样不得＞3∕8in（10mm），或者对图QW-462.4（c）所示试样的1∕4部分不得＞10%[3]。由此可见，该标准在试样合格标准的判定上也与其他的标准不同，对试样上不连续的长度判断标准也不相同，在实际操作时一定要注意这点。
综上所述，通过对3种标准规定的异同分析可知，CCS标准规定范围更加宽泛，细节参数等的要求更加严格。AWS标准和ASME标准规定的比较细致，可操作性更强，更能实际反映焊工实际操作水平，是更值得推荐和使用的标准。同时这两种标准使用时应仔细对比标准使用范围的不同，避免因使用范围不同而导致使用错误。
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