珠海固得焊接自动化设备有限公司陈裕川
［摘要］
本文论述了现代焊接结构生产企业控制质量的基本要求，全面介绍了各类焊接结构制造质量控制标准，系统分析了影响钢熔焊接头质量的技术因素，阐明了焊接接头中缺陷的类别及其分级，详细叙述了制造质量的控制程序、主要环节和技术要点，提出了建立和健全质量体系的必要性。
［关键词］焊接结构；制造质量；控制技术
1概述
在现代化工业装备中，极大多数的焊接结构都具有承载、受压或长期受侵蚀性介质及高温的作用。焊接结构的制造质量对其运行特性和使用寿命起着决定性的影响。焊接结构的提前失效，轻者造成不可挽回的重大经济损失，重者酿成人身伤亡事故。因此，对于焊接结构的制造质量必须严加控制，在焊接生产过程中，应采取各种切实有效的措施，确保焊接质量完全符合相应的国家标准、行业标准或安全技术监察规程的有关规定，但在实际焊接生产过程中，影响焊接结构制造质量的因素不仅繁多，而且难以准确地定量检测。这无疑给焊接质量的控制造成很大的困难，导致焊接结构制造质量的失控时有发生。
根据我国焊接结构制造行业几十年积累的经验，为确保焊接结构的制造质量，每家焊接结构生产企业都必须满足以下方面的基本要求：
1）必须严格按照GB/T19000标准建立和完善质量体系，并付诸有效的运行，使焊接结构生产的全过程都处于受控状态。
2）焊接结构的设计图样必须按本企业质量手册规定的程序进行评审和工艺性审查，使结构的选材、焊材的选配、接头形式、坡口尺寸、焊缝的布置、可达性和可检查性等方面完全符合相应专业标准或技术条件的要求。
3）生产受压、承载和高温作用等重要焊接结构时，焊接工艺规程必须按相应的行业标准进行工艺评定，只有通过焊接工艺评定试验确认合格的焊接工艺规程才能用于指导焊接结构的生产，并作为焊接质量检验依据的基础文件之一。
4）所有从事焊接生产的工程师、焊工、检验人员都必须经过专业培训,并按相应的专业标准考试合格，持有效的证件才可上岗。
5）焊接生产中所使用的下料、坡口加工、成形加工、组装、焊接和热处理等关键设备以及无损检测仪和量具等必须定期校验，使之处于良好的工作状态，保持符合要求的技术特性。
6）必须按所生产焊接结构的质量要求，建立和保存完整的质量记录，一旦出现质量事故，可容易地查证与之有关的一切原始数据。
2焊接结构制造质量控制标准
综上所述，焊接结构制造质量控制的重要性和复杂性是毋庸置疑的。因此，制订相应的焊接结构制造质量控制标准显得十分必要。在我国，现行的有关质量标准基本上可分成以下四个等级。
（1）国家政府部门制定的法规
这类标准是带有政府法令性质，必须强制执行的规程。通常由国家质量监督检验检疫总局编制和颁布，如“压力容器安全技术监察规程”和“蒸汽锅炉安全技术监察规程”等。
（2）强制性国家标准
这类标准由全国标准化技术委员会组织制订，具有一定的法律效力，也是一种必须强制执行的技术标准，如GB150-1998《钢制压力容器》、GB50316-2000《工业金属管道设计规范》和GB50273-1998《工业锅炉安装工程施工及验收规范》等。
（3）指导性国家标准
这类标准亦由全国标准化技术委员会组织制订，但不具有法律效力，不强制执行，原则上只是起技术性指导作用。如GB/T16507-1996《固定式锅炉建造规程》、GB/T6416-1986《影响钢熔焊接头质量的技术因素》和GB/T12467.1~GB/T12467.4-1998《焊接质量要求、金属材料的熔焊》等。某些指导性国家标准，由于具有普遍的指导意义，各企业均参照执行。
（4）行业标准和指导性行业标准
这类标准由各工业部门的标准化技术委员会组织编写，其特点是专业性强,主要结合各类焊接结构的工作条件，规定更为具体的质量要求和验收标准，实际上是对相应国家标准的补充。虽该类标准不要求强制执行，但在相关的焊接结构制造行业中已被广泛采用，某些行业标准（包括指导性行业标准）对焊接结构制造质量的控制具有更实际的指导意义。如JB4709-2000《钢制压力容器焊接规程》、JB/T1613-1993《锅炉受压组件焊接技术条件》、DL5031-1994《电站建设、施工及验收技术规范（管道篇）》、EJ/T715-1993《核工业焊接质量控制》和TB1580-1995《新造机车车辆焊接技术条件》等。
表1列出我国现行有关各类焊接结构质量控制的国家标准和行业标准的名称和编号，以方便读者查找。
由表1所列的140项焊接质量控制标准可见，其中极大多数是按焊接结构产品类别编制的专业标准，如锅炉、压力容器、钢结构、船舶、冶金设备、工程机械和管道等。对于各类焊接结构适用的共性基础标准有以下几项：GB6416-1986《影响钢熔焊接头质量的技术因素》、GB/T6417-1986《金属熔焊焊缝缺陷分类及说明》、GB/T12467.1~12467.4-1998《焊接质量要求、金属材料的熔焊》、GB/T12469-1990《焊接质量保证，钢熔焊接接头的要求和缺陷分类》、GB/T15169-2003《钢熔化焊焊工技能评定》和GB/T19000-2000
《质量管理体系、基础和术语》。所有生产各类焊接结构的企业都必须遵照执行，本节将重点介绍这些标准的内容并作必要的说明，以帮助读者正确理解各条款的意义及其实质。
表1有关焊接结构质量控制的国家标准和行业标准
2.1影响钢熔焊接头质量的技术因素
GB6416-1986《影响钢熔化焊焊接接头质量的技术因素》国家标准规定了影响焊接质量必须考虑的各种因素。它适用于压力容器、钢结构、起重机械、船舶、工程机械和运输设备等重要焊接结构。标准规定在焊接质量控制中必须考虑的主要影响因素有母材和焊接材料、焊接方法和焊接工艺、受力状态和焊接应力、接头的几何形状、运行条件和环境及焊后热处理等。
2.1.1母材和焊接材料
在焊接结构的设计和制造中，必须充分考虑母材金属的化学成分、力学性能、均一性、表面状况和厚度对焊接接头（包括母材热影响区、焊缝金属）的冷裂纹、热裂纹、脆性断裂、时效脆变和层状撕裂倾向的影响。在焊接结构中，出现上述缺陷和性能的变化是不允许的。在编制焊接工艺规程时，应按母材金属的实际化学成分、偏析程度和所焊工件的形状及尺寸，采取必要的焊接工艺措施，以确保接头的质量。例如，当母材金属的实际碳、硫、磷含量均偏于标准规定的上限值时，不仅应采用低热输入量的焊接工艺方法，而且还应将焊接区加速冷却等。
在焊接某些钢材时，例如低合金高强度钢和耐热钢，焊接热影响区对接头的力学性能，特别是缺口冲击韧性有较大的影响。在选择焊接工艺方法和焊接参数时，应充分考虑这种影响的后果，并采取适当的工艺措施，将焊接热影响区的宽度和组织形态控制在允许的范围之内。
在选择焊接材料时，应使焊缝金属的性能，包括室温或高温力学性能、抗弯性能、室温或低温冲击韧度、硬度和耐蚀性等，与母材金属相匹配，以使焊接接头的最终性能满足焊接结构实际运行条件所提出的要求。
应当严格控制焊接材料化学成分的波动，对于某些焊接材料，例如超低碳不锈钢焊条和焊丝，碳含量的微量超差都会显著降低焊缝金属的耐蚀性，同时应当考虑焊接工艺和焊后热处理对焊缝金属性能的影响。例如过高的预热和层间温度以及不恰当的焊后热处理可能会明显地降低焊缝金属的抗拉强度和冲击韧度。此外，对于在高温下长时间工作的焊接结构，例如电站锅炉高温、高压焊接部件，应考虑到接头的力学性能随时间延长不断地变化的可能性。例如高温时效脆变、持久强度下降、热疲劳和再热裂纹等。
对于化学成分和金相组织不同的异种钢接头，应根据两种不同母材的化学成分和工作条件对接头性能的要求并兼顾两种材料不同的物理特性，选择相匹配的焊接材料。如奥氏体铬镍不锈钢与碳钢或低合金钢之间的异种钢接头应选用Cr25-Ni13高铬镍奥氏体不锈钢焊条或焊丝。而对于在450℃以上高温下长期运行的这类异种钢接头，应选用镍基合金焊接材料，以遏制焊缝金属中的碳在高温长期作用下向高铬含量母材边缘的扩散聚集，防止接头的接合面变脆，从而延长接头的使用寿命。
2.1.2焊接方法和焊接工艺
焊接方法和焊接工艺对接头的质量和性能有很大的影响，应通过焊接工艺试验或焊接工艺评定证明所选择的焊接方法的适用性。例如，对于铝材应按焊件的壁厚，分别选用交流钨极氩弧焊或熔化极惰性气体保护焊，其他熔焊方法都不能保证接头的质量。又如热壁加氢反应器用2.25Cr-1Mo钢厚板接头，必须采用方波交流电弧焊,焊缝金属才能达到产品技术条件规定的低温冲击韧度值。
焊接工艺的主要参数，如焊接热输入量、预热温度、层间温度、焊接热循环模式和保护气体的成分等不仅影响接头的力学性能，而且在某种程度上决定了接头的抗裂性或其他性能,如耐蚀性和耐磨性等。在实际焊接生产中，应严格控制这些重要的焊接工艺参数。当这些参数超出焊接工艺规程给定的范围时，则应按相应的标准进行焊接工艺评定，以证实其合用性（关于焊接工艺评定将另文专题论述）。
接头的施焊位置是选择焊接方法时必须考虑的因素。例如埋弧焊接法,虽然其焊接质量和焊接效率都很高，但只适用于平焊和横焊位置的焊接，不能用于立焊和全位置焊。而钨极氩弧焊和熔化极气体保护焊，其效率虽不及埋弧焊，但可完成全位置焊的优质焊缝。
焊接方法的适用性也取决于所焊母材的冶金特性。例如，不加填充丝的电子束焊和钨极氩弧焊不能焊接沸腾钢。电渣焊方法不适宜焊接热裂倾向高的镍基合金。
焊前或焊后的各种冷加工和热加工对接头的力学性能也会产生不可忽视的影响，在编制焊接工艺规程时必须加以考虑。例如各种钢材在冷态下进行弯曲或卷制成形，都会引起冷作硬化，提高钢材的强度，降低其塑性，在焊接应力的作用下可能加速焊接区的时效脆变，焊接件焊后的热加工，如拼接封头的热冲压会明显地降低接头的强度。对于这种焊件，为保证接头与母材等强，应当选择合金成分略高于母材的焊接材料。
对焊缝表面成形的均整性和焊波鳞纹间距的一致性提出较高要求的焊件，应当选用自动钨极脉冲氩弧焊或双脉冲熔化极气体保护焊，并对焊接电流（或送丝速度）、电弧电压和焊接速度实行闭环反馈控制，以精确保持焊接熔池的尺寸。
2.1.3受力状态和焊接应力
当焊接结构在工作状态下存在疲劳断裂、脆性断裂或应力腐蚀破坏危险时，应特别注意焊接接头的设计。应当合理布置焊接接头，正确设计接头的形式并对焊缝的外形提出适当的要求，以最大限度地降低焊接接头的应力集中系数。例如对接接头的抗疲劳强度大于搭接接头和角接接头；凸形焊缝的应力集中系数高于平齐的或略呈凹形焊缝的应力集中系数。
焊缝的外表缺陷和内部缺陷会进一步提高焊接接头的应力集中系数。某些外表缺陷，如表面裂纹、边缘未熔合、夹渣和咬边等，当缺陷尺寸达到一定数值时，可能成为疲劳断裂或脆性断裂的起源点。因此，对于存在疲劳断裂或脆性断裂危险的焊接结构,必须加强焊缝的质量检查，并消除所有不容许的焊缝外表缺陷。对于运行条件特别苛刻的焊接结构，应当制订高要求的焊缝检验标准。
焊接残余应力加剧了焊接结构脆性断裂或疲劳断裂的危险，在焊接质量控制中应作为重要因素加以评估。对于承载或受压焊接结构，当构件的壁厚超过规定的极限值或接头的拘束度较大时，焊后应作消除应力处理，以降低焊接残余应力峰值。
对于存在应力腐蚀破坏危险的焊接结构，不论焊件的壁厚大小，焊后均应作消除应力处理。这可有效地降低应力腐蚀的危险。
对于要求几何形状和尺寸长期稳定的焊接结构，焊后亦应考虑作消除应力处理。如锻压机床、切削机床和内燃机机架和底座等焊接结构。
2.1.4接头的几何形状
接头的几何形状对结构的承载能力和抗断裂性具有重要的影响。在结构设计时应尽量避免采用截面突变的焊接接头，以降低接头受力时高的应力集中。这对于承受交变载荷的焊接结构尤为重要。
当对接焊缝两侧焊件壁厚不等时,应采用如图1所示的接头形式。不等厚接头过渡区应呈平滑的圆弧形。
接头厚度的增加对结构的抗断裂能力产生不利的影响。接头壁厚越大,越要注意接头几何形状的连续性，并严格控制接头的外表缺陷。
焊件在组装过程中的强制装配会提高接头的拘束度和焊接应力。因此,提高组装零部件的加工精度可以增强焊接结构的承载能力。
焊接接头的设计还应考虑其可加工性和可检查性，便于施焊和检查，包括焊前预热、焊接操作、焊后热处理和无损检测等。
2.1.5运行条件和工作环境
焊接结构的运行条件和工作介质对结构的使用寿命起决定性的作用。结构设计时，首先应正确界定其运行条件（工作压力、工作温度、中子辐射、工作介质的腐蚀性等）。结构在运行时，应严格保持工作参数不超过设计的规定，否则可能使结构提前失效。例如电站锅炉受热面部件的实际工作温度，仅超过最高设计温度10℃,就可能在长时间运行过程中提前爆管。又如化工装置管道工作介质成分的微量变化就可能加快管壁的腐蚀速度而提前破裂。
露天焊接结构的设计中，应充分考虑环境的影响。其中包括低温、风雪的附加载荷、大气腐蚀、海水腐蚀和地震等。安装在严寒地区的焊接结构，必须按当地可能达到的最低气温选择结构材料并提出相应的低温冲击韧度的要求。对于近海地区的露天焊接结构和海洋工程建筑，则必须选用耐候性能或耐海水腐蚀的钢材，或者在结构表面加适当涂层防护。
当焊接接头的任意一面直接接触腐蚀介质时，首先应正确选择与母材耐蚀性相当的焊接材料，并采取必要的焊接工艺措施，防止焊接热影响区耐蚀性的降低。在结构和接头形式设计中应注意避免可能残留沉积腐蚀介质的死角和间隙，防止间隙腐蚀的产生。
2.1.6焊后热处理
焊接结构焊后热处理的目的主要是降低焊接残余应力，并改善接头的性能。对于普通碳素钢焊接结构，焊后热处理的作用主要是消除焊接应力,而对于低合金耐热钢，特别是调质高强度钢焊接结构，焊后热处理在改善接头的方面显得更为重要。同时还应注意，对于某些钢材，不恰当的焊后热处理可能对接头的性能产生有害的影响。例如含碳化物形成元素较多的低合金耐热钢焊接接头，敏感温度区间的热处理可能使焊缝金属变脆，严重时还可能引起焊接热影响区的再热裂纹。因此在设计和制造焊接结构时，要充分评估其利弊，利用焊后热处理的有利作用，规避其消极的影响。
2.2焊接接头缺陷的类别及其分级
焊接结构质量控制的主要任务是防止、检测和消除各种技术标准或制造规程不容许的焊接缺陷。因此，对各种焊接接头缺陷的正确定义和分级是十分必要的。国家标准GB/T6417.1-2005《金属熔化焊接头缺陷分类及说明》和GB/T19418-2003《钢的弧焊接头缺陷质量分级指南》对此作出了较详细的规定，为焊接结构制造、检验和验收提供共同可遵循的准则。同时也是辩认各种焊接缺陷和质量分级的基础。现将其主要内容分别介绍如下：
2.2.1金属熔化焊接头缺陷的分类
GB/T6417.1-2005《金属熔化焊接头缺陷分类及说明》国家标准替代了原国家标准GB/T6417-1986。其内容等效采用ISO65201.1-1998名称相同的国家标准。该标准将金属熔化焊接接头缺陷分为以下6大类：
第一类：裂纹；
第二类：孔穴；
第三类：固体夹杂；
第四类：未熔合和未焊透；
第五类：形状和尺寸偏差（指焊缝形状）；
第六类：其他缺陷。
按缺陷在接头中分布的位置和形态，又可将其分成若干小类，详见表2。其中将各种缺陷用数字序号标记。每一大类缺陷用一个三位阿拉伯数字标记，每一小类缺陷用一个四位阿拉伯数字标记。每一个数字序号仅代表某一特定类型的焊接缺陷。例如，1021代表“焊缝横向裂纹”，1023代表“热影响区横向裂纹”等。为便于读者理解，本节对上列标准条文说明中的某些词句作了必要的修正。同时应当强调指出，该标准只按缺陷的形态定名,而不按缺陷的性质定名，例如在裂纹一类中不分冷裂纹、热裂纹和再热裂纹等。有关这方面的知识，将另文专题论述。
2.2.2对焊接接头的要求和缺陷分级
评定焊接接头质量最重要的技术指标是：焊接接头的性能和缺陷的容限尺寸。这两项指标取决于焊接结构的运行条件、工作参数、载荷特性、重要程度和设计准则。对每一种焊接结构制定恰如其分的评定标准是一项技术性相当强的工作。GB/T19418-2003指导性国家标准对此作了必要的原则性规定。对一些特定的焊接结构，对焊接接头性能的具体要求和焊缝缺陷容限尺寸的分等主要由相应的产品技术条件、设计规程或设计图样作出规定。
按焊接结构的运行特性，对产品焊接接头性能的评定项目有：
1）常温拉伸性能；
2）常温冲击性能；
3）常温弯曲性能；
4）低温冲击性能；
5）高温瞬时拉伸性能；
6）高温持久拉伸或蠕变性能；
7）疲劳性能；
8）断裂韧度；
9）其他性能（如耐磨、耐蚀性能等）。
对于某些特定的焊接结构，也可以对全焊缝金属的性能提出要求，如表面堆焊和成形堆焊焊接结构等。
对于按通用制造规程生产的焊接结构，工厂可根据实际的制造工艺条件，适当地调整对焊接接头性能的要求。例如对于某些压力容器应考虑冬季气压试验时可能产生脆性破裂而提高焊接接头低温冲击性能评定指标。在通常的情况下，不应超越产品的运行条件，随意增减对接头性能要求的项目和评定标准。
焊接接头的外观和内在缺陷原则上可划分成如表3所列的3个等级。对于每一类焊接结构可按下述原则对缺陷进行评级。
1）载荷性质。静载荷、动载荷、刚度设计构件（强度裕度较大）；
2）运行条件及环境。工作温度、介质、湿度和磨耗等；
3）结构失效后的危害程度。高度危害（爆炸或泄漏引起严重人身伤亡并造成产品报废等重大经济损失）；中度危害（结构受损伤而停产造成较大经济损失）；轻度危害（结构受损但仍可继续运行并可修复）；
4）结构材料状态。强度与韧性裕度大；强度裕度不大、韧性裕度大；高强度、低韧性；焊接材料与母材的匹配程度。
5）制造和质量控制条件。焊接方法和焊接工艺的适应性；质量管理的严格程度；焊缝无损检测方法的灵敏度，焊接接头的可达性。
6）经济性。
对于质量要求较高，而又无法实施焊缝无损检测的焊接结构，必须采取必要的工艺措施，保证焊接质量。规定焊工等级，加强焊接施工过程的监督，并明确规定产品焊接见证件的制备和检验程序。
本来摘自《现代焊接》杂志2010年第3期刊