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說明。針對大厚試板的制備過程的各個環(huán)節(jié)提出了合理做法，并結合作業(yè)特點，設定了合理的作業(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應關注的操作要點，提高獲取熱影響區(qū)CTOD試樣的有效率。

關鍵詞： 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件的焊縫在一些標準中要求進行焊后熱處理的同時也允許在滿足相關要求時可免除焊后熱處理，其中，免除焊后熱處理的要求之一是在現(xiàn)場構件所采用的焊接工藝的評定試驗中增加裂紋尖端張開位移（Crack Tip Opening Displacement，CTOD）試驗且試驗結果滿足相關要求，這種情況下，試板厚度的覆蓋要求較常規(guī)焊接工藝評定試驗的更為特殊（例如：DNV-OS-C401[2]中對于有CTOD試驗的焊接工藝的厚度覆蓋范圍為0.5t～1.1t（t為板厚）），焊接工藝評定試驗中的試板通常會很厚。

從而CTOD試板需嚴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，以保證能夠獲得標準要求的試驗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涉及到材料檢驗、下料、試板組對、試板焊接、試板無損檢測以及可能會用到氣刨、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、翻轉(zhuǎn)需使用起重設備。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。

以公司承建的某導管架建造項目為例，該項目涉及了大量大厚板的焊接，根據(jù)項目要求需進行涉及CTOD試驗的采用大厚試板的10個焊接工藝試驗。

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應為試板的全厚度，即當加工試樣時，寬度B應至少為0.9 t（t=試板厚度）；

（2）熱影響區(qū)試樣所試驗到的靶向位置（即：試驗位置距離熔合線dw≤0.5 mm的試驗位置長度之和）在試樣中間75%的厚度范圍內(nèi)應達到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)項目要求，焊接工藝評定試驗中的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)兩個位置進行試驗，即預制裂紋應處于相應的試驗位置上。2試板制備要點分析

2.1試驗用料準備

對于試件尺寸的確認，應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：焊接標準/焊接規(guī)格書的要求

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

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

涉及CTOD試驗的試板一般比較長，長度過長的試板應進行分段下料，各分段的長度應考慮試板焊接時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，且每一段長度不應短于焊評標準要求的最小長度。

試板的坡口形式可以采用X形加K形的組合或K形，X形只能用于試驗位置焊縫中心，K形可用于試驗位置熱影響區(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形坡口進行試驗，那么只能采用焊接難度較大的K形坡口。

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

根據(jù)焊接量準備足夠數(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與試板的坡口角度保持一致。數(shù)量為每個試板對應兩個引弧板（試板的一端一個引弧板）。

由于試板較重，應準備吊耳。吊耳根據(jù)起重吊鉤等的零部件尺寸進行開孔。

2.2焊前準備

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

試板坡口面及其相鄰25 mm范圍內(nèi)的試板表面應進行徹底打磨，應避免出現(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，需在試板上進行標記，CTOD試樣的試驗位置不允許取在此位置。

采用瑪排進行試板的組對，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），焊角尺寸應根據(jù)試板的厚度（焊接量）而定，進行兩側(cè)角焊縫或單側(cè)角焊縫，兩側(cè)角焊縫時，兩側(cè)的角焊縫的焊接長度、焊角尺寸可以不同，即根據(jù)實際情況進行調(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，引弧板應緊貼試板，如果縫隙較大應對縫隙進行焊接密封，以保證良好的引弧效果。

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

焊前進行試板標記，應標記出試板編號、第一焊接面，標記位置應在試板的兩個表面和某一側(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采用電加熱的方式進行維持，也可以選用烤把以方便焊接過程，但應確保焊接過程中如出現(xiàn)層間溫度偏低的情況，應立即進行烤火升溫。

整個焊接過程，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)的母材熔化深度應均勻，應避免出現(xiàn)咬肉。

焊接過程的打磨如傷到直邊，應對傷到的位置進行標記。

焊縫中的熄弧點應進行充分打磨，并對每一道焊完的焊道進行充分處理（用鋼絲刷刷一下，必要時要進行打磨）。

嚴格控制每一道的焊接熱輸入。

?；〈蚰ト鐐街边?，應對傷到的位置進行標記。熱影響區(qū)CTOD試樣應避免在該位置取樣。

焊接過程應時刻關注試板的變形情況，如出現(xiàn)變形，則應加焊瑪排，必要時增加瑪排數(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），之后再進行試板翻身，移除瑪排后進行第二面的清根。瑪排的移除應避免傷到試板表面，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，如果傷到母材表面且凹坑深度大時，需進行焊補，將凹坑補平，以免影響到試板后續(xù)進行的UT檢測。

為制備試驗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)，需特別關注清根時不要傷到直邊，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)是直邊一點未傷、根部焊道的缺陷完全被去除，如圖7（a）所示，為達到這一理想狀態(tài)，清根時氣刨起點M應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，打磨時不應傷到直邊。清根后實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)域應進行標記，CTOD試驗區(qū)域應避免取在該位置。

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（達到能進行UT的表面要求狀態(tài)），一般應使用鋼絲刷進行整面刷一下，然后翻身，去除第一焊接面的瑪排，去瑪排時避免傷到試板表面，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，如果傷到母材表面且凹坑深度大時，需進行焊補，將凹坑補平，以免影響到試板后續(xù)進行的UT檢測。

3試板制備及結果

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

對于CTOD試驗，驗收標準中規(guī)定一組試驗中有3個試樣時以最小值為核準值、有6個樣時以第2小的值為核準值；從而，試樣數(shù)量按照每個位置6個、備用試樣每個位置3個進行試板用料的尺寸評估，進而，根據(jù)2.1的考慮因素，結合項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的焊前準備進行了組對前的坡口處理、檢查及標記，并完成了試板組對；每個焊接工藝評定試驗的試板包括兩塊，以滿足力學性能試驗、焊縫中心CTOEVM1IqKDPwIbPD8XwLFL+g==D試驗及熱影響區(qū)CTOD試驗的取樣用料需求。試板的焊接按照2.3及2.4的操作要求進行，在這一過程中，為便于操作，焊前預熱及層間溫度的維持使用火焰烤把進行。之后，根據(jù)2.4進行了試板的焊后清理。

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

4結論

進行CTOD試驗的大厚板焊接工藝評定試件的制備從試驗用板開始即應綜合考慮后續(xù)檢驗、試驗的用料尺寸需求，而且輔助料包括吊耳、瑪排、引弧板等應同步或提前準備。瑪排只需一側(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在翻面前進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，應及時標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

［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

王世達簡介： 1986年出生，高級工程師，主要從事焊接工藝技術應用的研究工作。