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WPS 焊接工艺评定 (浅析)


焊接工艺评定 浅析
welding procedure specification

术语
WPS:welding procedure specification 焊接工艺规范(焊接工艺评定指导书) pWPS :preliminary Welding Procedure Specification 预备焊接工艺指导书 AWS :美国焊接协

会 API :american petroleam institute 美国石油协会 ASTM :american society of testing materials 美国材料试验协会 PQR: 焊接工艺评定记录(焊接工艺评定报告)

焊接工艺评定
所谓焊接工艺评定,是针对特定的钢材、结构,选用的焊接材料、焊接工艺方 法、焊后热处理等措施;在与实际工程焊接施工一致的条件下,按照规定的步 骤,进行试验性的焊接; 焊接后按照规定的的程序,检验检测手段进行检测试验验证;根据规定的标准 进行评判; 试验测试结束后,编制完整的焊接试验报告,对整套焊接工艺方案作出最终的 评定、认可。 进而,根据焊接工艺评定试验的结果,编制焊接工艺规程,指导焊接生产。

焊接工艺评定目的
焊接工艺评定的主要目的在于评定及验证针对焊接生产所需要的焊接工艺,最 终归纳并确定为焊接工艺规程WPS。

对施工单位采用的钢材、焊接材料,选用的焊接方法、初步制定的焊接工艺、 焊后热处理工艺等,进行验证,进而确定所定方案的正确性;
特别对首次应用的钢材、焊接材料、焊接工艺的应用性进行考核、验证; 在焊接工艺评定试验的基础上,针对焊接工艺评定试验所代表的所有规格、条 件,制定详细的焊接工艺规程,指导实际生产。 焊接工艺评定同时又是对焊接生产单位实际焊接生产能力、焊制焊接接头的使 用性能符合设计要求的能力的评估。因此,焊接工艺评定试验不允许袭用外单 位试验结果,一般由本单位,或在其他机构的指导下,独立完成。

此外,由于工程中的焊接接头不可能现场实物取样,进行破坏性检验,构件制 作前进行的焊接工艺评定,也是对不需要制作焊接见证试板的接头性能的旁证。
所以,焊接工艺评定,既是对企业焊接工艺,乃至焊接生产和管理体系的考核, 又是焊接产品质量的保证。



焊接工艺规 程流程图

A

要求使用WPS?

无下步行动



B

有可使用的WPS(PQR)?

拟定pWPS

C

评定pWPS

形成PQR

焊 接 评 定 试 验 步 骤

反馈

制定WPS

生产实施:WPS

A 要求使用WPS?
根据业主的要求,和相关的规范标准

B 是否有可用的WPS
施工企业使用规范化的、预评定合格的焊接工艺,可以免除或不重新进行焊接 工艺评定。

C 焊接评定试验

步骤
焊接工艺评定方案

焊接工艺试验
预定焊接工艺pWPS

焊接试板施焊WPQT 试板的目视、探伤检验NDT
试板的力学性能测试DT 编制工艺评定试验报告WPQR

焊接评定试验
焊接工艺评定,以及随后的焊工培训和生产工艺实施步骤,主要有以下 几个主要环节:
1、制作企业根据所承担产品结构的设计节点形式、钢材类型、规格、 采用的焊接方法、焊接位臵等,制定焊接工艺评定方案。必要时进行焊 接工艺性预试验;拟定相应的预定焊接工艺,(pWPS);或者说是工艺 评定试验指导书(计划); 2、按规程标准的规定要求,工艺评定试验指导书内容,在监督人员监 督下,施焊试件,进行焊接工艺评定试验(WPQT);
3、对试板焊接进行外观检验、无损探伤;切取加工试样,由监督部门认证资质 的检测单位,在监督人员到场监督下,进行检测、试验;将检验、检测、试验 结果汇总,编制报告;(WPQR); 根据焊接工艺评定试验报告,编制焊接工艺规程;(WPS);并上报批准; 按照批准确定的焊接工艺WPS,进行焊工考试取证; 按照批准确定的焊接工艺WPS,实施焊接生产 。

C.1预定焊接工艺(pWPS 焊接评定试验指导书

焊接指导书内容
?1 焊接方法 ?应指明是使用手工焊、半自动焊或自动焊,或它们的任何组合方法。 ?2 管子及管件材料 ?应指明工艺规程所适用的管子和管件材料范围。API Spec 5L标准, 及ASTM标准中的管子和管件材料可进行分组,见5.4.2.2。评定试验应 选择该组材料中规定最小屈服强度最高的材料进行。 ?3直径和壁厚 ?应确定焊接工艺规程适用的直径和壁厚范围,其分组见6.2.2中的d) 和e)。 ?4接头设计 ?应画出接头的简图。简图应指明坡口角度,钝边尺寸和根部间隙。填 角焊缝应指明形 ?状和尺寸。如使用背部垫板时,还须指明其形式。 ?5填充金属和焊道数 ?应指明填充金属的种类和规格,焊缝最少层数及焊道顺序。

焊接指导书内容
?6 电特性 应指明电流种类和极性,规定使用焊条或焊丝的电弧电压和焊接电流的 范围。 ?7火焰特性 应指明使用的火焰类型(中性焰、碳化焰或氧化焰)。规定每种规格焊丝 适用的焊矩喷嘴的尺寸。 ?8 焊接位置 应指明是旋转焊或是固定焊。 ?9 焊接方向 应指明是上向焊或是下向焊。 ?10 焊道之间的时间间隔 应规定完成根焊道之后至开始第二焊道之间的最长时间间隔,以及完成 第二焊道之后与开始其他焊道之间的最长时间间隔。 ?11 对口器的类型和拆移 应规定是否使用对口器,使用内对口器或外对口器。如果使用对口器, 在拆移对口器时应规定完成根焊道长度的最小百分数。

焊接指导书内容
?12 焊道的清理及打磨 ?应指明清理、打磨焊道时使用的工具(电动工具,手工工具,或 二者组合)。 ?13 预热和焊后热处理 ?应规定预热和焊后热处理的加热方法,温度,温度控制方法,以 及需预热和焊后热处理 ?的环境温度的范围。 ?14 保护气体及流量 ?应规定保护气体的成分及流量范围 ?15 保护焊剂 ?应规定保护焊剂的类型。 ?16 焊接速度 ?应规定各焊道的焊接速度范围(m/min)

C.1.1 焊接分类
指明是使用手工焊、半自动焊或自动焊,或它们的任何组合方法

—— 手工电弧焊(SMAW/111);
—— 无气体保护药芯焊(FCAW/114); —— 有无气体保护药芯焊(GFCAW/136); —— 熔化及气体保护焊(GMAW/135); —— 气体保护钨极焊(GTAW/141);

—— 埋弧焊(SAW/12);
—— 等离子电弧焊(PAW/15)。

C.1.2焊接接头设计

C.1.2焊接接头设计
1.焊接接头形式分类选择 焊接接头形式可以分为:对接接头;

搭接接头;
T形接头; 角接接头。 不同的接头形式承载能力和应力分布情况不同。

C.1.2焊接接头设计
(1)对接接头:两焊件同在一个平面上焊

接而成的接头。 特点:应力集中相对较小,能承受较大的静载荷和较高的疲劳交变载荷。 注意:板厚不同,应将厚板削薄后对接。L≥3 (δ2-δ1)
L δ1 L/2 δ2

×

δ1

δ2



C.1.2焊接接头设计
(2)搭接接头:两焊件相互错叠,在焊件端头进行焊接的接头。

特点:应力分布不均匀,疲劳强度较低;

焊前准备和装配工作比对接接头简单;
横向收缩量比对接接头小; 适用于被焊结构的狭小处以及密闭的焊接结构。

C.1.2焊接接头设计
(3)T形接头:两焊件相互垂直,在交角处进行焊接的接头。

特点:应力分布不均匀,虽然承载能力低,但能承受各种方向的力和力

矩,是比较理想的焊接接头形式。
注意:T形接头应避免采用单面角焊缝。

C.1.2焊接接头设计
(4)角接接头:两焊件边缘相互垂直,在顶端边缘上进行焊接的接

头。角接接头常用于箱形结构,常用的角接头如下图:

特点:承载能力低,

但能承受各种方向
的力和力矩。

C.1.2焊接接头设计
2、坡口的设计 (1)坡口作用:主要是增大熔深,提高焊缝截面的有效厚度。 α

H p b

以对接Y形坡口为例: ? 坡口角度α:35~60°,α太大增加加工余量、焊接成本和变形; ? 钝边高度p:需要熔透时一般为1~3mm;

? 根部间隙b:保证钝边熔透,一般2~4mm,过大容易形成虚焊;
? 坡口深度H:根据需要的焊缝厚度来设定。

C.1.2焊接接头设计
(2)坡口形式:

a. 对接焊缝的焊接边缘可分为卷边、平对或加工成V形、X形、K形和U形等。
? 方形对接:无间隙适合于板厚小于3mm;有间隙或带垫板的对接适合于 厚小于16 mm。加工的经济性最好。

卷边焊缝

I形坡口

? 单面V型:适合于板厚在16mm左右;

? 双面V型:适合于板厚在在32mm以下;
? 单面U型:加工难度增加,但比单V型坡口节省焊接材料; ? 双面U型:加工难度增加,但比双V型坡口节省焊接材料;

C.1.2焊接接头设计
3.焊道层数设计

在焊接厚度较大时,往往要多层焊接。多层焊接时,若每层的厚度过 大时,对焊缝金属的塑性(主要表现在冷弯角上)将有不利的影响。 所以对质量要求较高的焊缝,每层厚度最好不大于4MM。 根据实际情况与实际经验,每层厚度约等于焊条(焊芯直经的0.8— 1.2倍,气体保护焊时为焊丝直经的1.6—2倍。开坡口的对接焊缝内第 一层焊缝特别重要,为保证焊后结构件形成一定的刚性,在保证焊透 的情况下,应尽量焊厚一点(如采用3.2焊条时,焊缝层厚应控制在 3.5—4MM)

C.1.3 焊接位置

C.2 焊接试件
将两个管段按照焊接工艺指导书规定的要求组对和焊接

(DNV2000) DNV规定管线外径>300mm,抗拉性能试验应沿管轴的横向和纵 向进行。对于标准材料纵向的屈强比应不超过横向最大指定值 0.020,对酸性条件下的材料不超过0.030。纵向的SMTS值可以 比横向要求的SMTS值小5%。 302 ISO标准要求横向张拉试件外径≥210mm。然而对于用于深 水的铺管可以指定附加的纵向测试。应满足协议要求。

C.3 焊接工艺评定试验

1、外管检查
外观检验主要包括焊缝的平直度偏差、厚度及余高的检查;表面裂纹检查; 咬边、焊肉不足检查;焊接件或产品的几何尺寸检查,包括形状及变形量是 否超过技术规程的规定等。过程以目视检查实现 . 目视检查用于检查焊缝外 观和尺寸,该如用低倍放大镜,尺寸计量工具等。通常要检查的是焊后的焊 缝表面质量(熔渣清理,飞溅清理),表面成型质量(表面尺寸,凸凹,余 高,焊缝宽度,焊角尺寸,焊透程度等),表面有无各 类焊接缺陷。其最 基本的焊缝外形尺寸要均匀,焊道与焊道,焊道与基体金属之间应平滑过渡。 属于初步检查。 (API1104 99版规定)考试焊口的焊缝应进行外观检查。焊缝外观应整齐、 均匀,无裂纹、未焊透和烧穿。盖面焊道的外咬边深度应不大于管壁厚的 12.5%,且不超过0.8mm。在焊缝任何300mm的 连续长度中,累计咬边长度应不大于50mm。

C.3 焊接工艺评定试验

2、无损检测
无损检测包括射线探伤或业主规定的其他检测方法。使用的检测方法应能查 出焊缝缺陷,并便于对缺陷进行准确定性和定量

C.3 焊接工艺评定试验

3、破坏性试验
3.1 试样类型及数量
API1104 99

破坏性试验包括:拉伸、弯曲、冲击试验

3.2 试样位置

3.2 试样位置

(DNV2000) 焊接程序评定试验 ——管子或管子部件制品试验试 件的选取

3.3 拉伸试验
1 ) 准备 拉伸试样(如图4所示)约230mm长,25mm宽,制样可通过机械切割或氧气切 割的方法进行。除有缺口或不平行外,试样不要求进行其他加工。如有需要,应 进行机加工处理使试样边缘光滑和平行。 2 ) 方法 拉伸试样应在拉伸载荷下拉断。使用的拉伸机应能测量出拉伸试验时的最大载荷。 以 拉伸试验时的最大载荷除以试样在拉伸前测定的最小截面积,就可计算出抗拉强 度。 3) 要求 每个试样的抗拉强度应大于或等于管材的规定最小抗拉强度,但不需要大于或等 于管材的实际抗拉强度。如果试样断在母材上,且抗拉强度大于或等于管材规定 的最小抗拉强度时,则该试样合格。如果试样断在焊缝或熔合区,其抗拉强度大 于或等于管材规定的最小抗拉强度时,且断面缺陷符合5.6.3.3的要求,则该试样 合格。如果试验是在低于管材规定的最小抗拉强度下断裂,则该焊口不合格,应 重新试验。

3.3 拉伸试验

3.4 刻槽锤段
1 准备 刻槽锤断试样(如图5所示)约230mm长,25mm宽,制样可通过机械切割或氧气切 割的方法进行。用钢锯在试样两侧焊缝断面的中心(以根焊道为准)锯槽,每个刻 槽深度约3mm。用此方法准备的某些自动焊或半自动焊(有时也包括手工焊)的刻 槽锤断试样,有可能断在母材上而不断在焊缝上。当前一次试验表明可能会在母材 处断裂时,为保证断口断在焊缝上,则可在焊缝外表面余高上刻槽,但是深度从焊 缝表面算起不得超过1.6mm。如果业主要求的话,可以对用半自动焊或自动焊方法 进行工艺评定的刻槽锤断试样在刻槽前先进行宏观腐蚀检查。 2 方法 刻槽锤断试样可在拉伸机上拉断;或支撑两端,打击中部锤断;或支撑一端,打击 另一端锤断。焊缝断裂的暴露面应至少为19mm宽。 3 要求 每个刻槽锤断试样的断裂面应完全焊透和熔合。任何气孔的最大尺寸应不大于 1.6mm,且所有气孔的累计面积应不大于断裂面积的2%。夹渣深度应小于0.8mm, 长度应不大于钢管公称壁厚的1/2,且小于3.2mm。相邻夹渣间至少应相距13mm。 测量方法如图8所示。白点(参见AWS A3.0中的定义)不做为不合格的原因。

3.4 刻槽锤段

3.5 背弯和面弯
1 准备 背弯和面弯试验试样约230mm长,25mm宽,且其长边缘应磨成圆角(如图6 所示)。制样可通过机械切割或氧气切割的方法进行。焊缝内外表面余高应去 除至与试样母材表面平齐。加工的表面应光滑,加工痕迹应轻微并垂直于焊缝 轴线。 2 方法 背弯和面弯试样应在导向弯曲试验模具上弯曲,模具如图9所示。试样以焊缝 为中心放置于下模上。面弯试验以焊缝外表面朝向下模,背弯试验以焊缝内表 面朝向下模,施给上模压力,将试样压入下模内,直到试样弯曲成近似U形。 3 要求 弯曲后,试样拉伸弯曲表面上的焊缝和熔合线区域所发现的任何方向上的任一 裂纹或 其他缺陷尺寸应不大于钢管公称壁厚的1/2,且不大于3mm。除非发现其他缺 陷,由试样边缘上产生的裂纹长度在任何方向上应不大于6mm。弯曲试验中每 个试件均应满足评定要求。

3.5 背弯和面弯

3.6 侧弯试验
1 准备 侧弯试样约230mm长,13mm宽,且其长边缘应磨成圆角(如图7所示)。试样可 先通过机械切割或氧气切割的方法制成宽度约19mm的粗样,然后用机加工或磨 削制成13mm宽的试验试样。试样各表面应光滑平行。焊缝的内外表面余高应去 除至与试件表面平齐。 2 方法 侧弯试样应在类似于图9所示的导向弯曲试验模具上弯曲。将试样以焊缝为中心放 置在下模上,焊缝表面与模具成90o。施给上模压力,将试样压入下模内,直到试 样弯曲成近似U形。 3 要求 曲后,试样拉伸弯曲表面上的焊缝和熔合线区域所发现的任何方向上的任一裂纹 或其他缺陷尺寸应不大于钢管公称壁厚的1/2,且不大于3mm。除非发现其他缺陷, 由试样边缘上产生的裂纹长度在任何方向上应不大于6mm。弯曲试验中每个试件 均应满足评定要求。

3.6 侧弯试验

3.7 试验报告

D 焊接工艺重新评定
当焊接工艺规程有如下中规定的基本要素变更时,应对焊接工艺重新评 定。当焊接工艺规程有如下中规定的基本要素以外的变更时,应修订焊 接工艺规程,但不必对焊接工艺重新评定。(API1104 中的规定) 基本要素 1、焊接方法 应指明是使用手工焊、半自动焊或自动焊,或它们的任何组合 方法 2、管材 焊接工艺规程中管材组别的变更

D 焊接工艺重新评定

D 焊接工艺重新评定
基本要素 3 接头设计 接头设计的重大变更(如V型坡口改为U型坡口)。坡口角度或钝 边的变更不属于基本要素。

4 焊接位置 由旋转焊变为固定焊,或反之。
5 壁厚 从一个壁厚分组到另一个壁厚分组的变更。

D 焊接工艺重新评定
基本要素 6、填充金属 应指明是使用手工焊、半自动焊或自动焊,或它们的任何组合 方法 7、电特性 直流焊时焊条(焊丝)接正变更为接负,或反之;将直流变更为 交流,或反之。 8、焊道之间时间间隔 完成根焊道之后开始第二焊道之间的最大时间间隔的增加。 9、焊接方向 从下向焊改为上向焊,或反之。 10 保护气体和流量 一种保护气体换成另一种保护气体,或一种混合气体换成另一种 混合气体,或保护气体流量范围较大地增加或减小。

D 焊接工艺重新评定
基本要素 11、保护焊剂 保护焊剂的变更,参照表1脚注a。 12、焊接速度 焊接速度范围的变更。 13、预热 降低焊接工艺规程中的最低预热温度。 14、焊后热处理

增加焊后热处理,改变焊接工艺规程中焊后热处理的范围或温度

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