錢強， 邵輝， 杜娜

(1. 機械工業(yè)哈爾濱焊接技術(shù)培訓中心，哈爾濱 150046；2. 兗礦東華重工有限公司, 山東 濟寧 273500)

0 前言

國際標準化組織(ISO)的標準化原理委員會(STACO)一直致力于標準化概念的研究，先后以“指南”的形式給“標準”的定義作出統(tǒng)一規(guī)定：標準是由一個公認的機構(gòu)制定和批準的文件，它對活動或活動的結(jié)果規(guī)定了規(guī)則、導則或特殊值，供共同和反復使用，以實現(xiàn)在預定領(lǐng)域內(nèi)最佳秩序的效果。技術(shù)標準是對標準化領(lǐng)域中需要協(xié)調(diào)統(tǒng)一的技術(shù)事項所制訂的標準，一般分為基礎(chǔ)標準、產(chǎn)品標準、方法標準和安全、衛(wèi)生、環(huán)境保護標準等；又可分為零部件標準、原材料與毛坯標準、工裝標準、設(shè)備維修保養(yǎng)標準及檢查標準等；按標準的強制程度，可分為強制性與推薦性標準。

國際上對焊接、連接技術(shù)及其標準化的認知更為客觀、準確，隨著經(jīng)濟全球化的進程，焊接標準的統(tǒng)一趨勢成為主流。國際焊接標準由ISO組織TC44的各分技術(shù)委員會負責。ISO標準體系近年來雖然處于相對穩(wěn)定的發(fā)展階段，但現(xiàn)代工業(yè)對焊接技術(shù)的需求在質(zhì)量、效率、成本和環(huán)保等方面都提出了更高的要求，隨著標準局部的調(diào)整及個體標準的更新持續(xù)不斷，焊接標準化領(lǐng)域正在不斷拓展、延伸，標準對新型焊接技術(shù)開發(fā)、引領(lǐng)和推廣作用明顯。

1 國際焊接標準簡介

焊接標準是對標準化領(lǐng)域中需要協(xié)調(diào)統(tǒng)一的焊接技術(shù)事項所制訂的標準，是具有普遍性和重復出現(xiàn)的技術(shù)問題的最佳解決方案。先有技術(shù)，后有標準, 焊接標準的制定大大促進焊接技術(shù)工程應用。

目前,國際焊接標準大致可以分為4大類，如圖1[1]所示，包括焊接基礎(chǔ)標準，如ISO 17659(焊接術(shù)語及定義)標準，對焊接中常用的術(shù)語進行定義；焊接管理標準，如焊接工藝規(guī)程ISO 15609(焊接工藝規(guī)程的編制)標準，針對于不同的焊接工藝方法的特點，給出指定的特征參數(shù)以規(guī)范焊接工藝；焊接器材標準，如焊接材料、切割機具、工裝輔具等；焊接方法標準，包含無損檢測及破壞性試驗檢測等，如ISO 17637(焊縫的無損檢測—目視檢測)標準，它以肉眼觀察為主，必要時利用放大鏡、量具及樣板等對目視尺寸和焊縫表面質(zhì)量進行全面檢查，例如：余高過大、表面凹陷、咬邊、接頭缺陷、飛濺、氣孔等。以上4大類標準中，有些是在生產(chǎn)制造中常常涉及使用的標準，有一些生產(chǎn)制造領(lǐng)域的工程師很少使用，如擴散氫含量測定等，而且就生產(chǎn)制造領(lǐng)域常用的國際焊接標準而言，經(jīng)過不斷的發(fā)展已基本形成自身的比較完善的體系。

圖1 國際焊接標準分類

2 國際焊接標準體系的構(gòu)成

焊接生產(chǎn)制造領(lǐng)域中常用的國際標準有很多，為便于歸類、學習和使用，在國際焊接工程師的教學中常常將其歸為4大類，包括母材方面標準、焊接材料方面標準、結(jié)構(gòu)設(shè)計方面標準、焊接生產(chǎn)質(zhì)量保證相關(guān)方面的標準[2]。然而，在以熔化焊為主要工藝手段的焊接生產(chǎn)制造領(lǐng)域的實際應用中，卻構(gòu)成了以ISO 3834(金屬材料熔化焊焊接方法的質(zhì)量要求)標準為核心的生產(chǎn)應用中常用的焊接標準體系，就ISO 3834質(zhì)量保證體系標準中所提出的22個質(zhì)量控制要素中所涉及的標準，經(jīng)梳理歸納，可以認為 ISO 3834標準為核心的與質(zhì)量控制要素相關(guān)的標準構(gòu)成分為9個方面，具體如圖2所示。其包括母材及焊材方面，接頭無損檢測，焊前、焊中及焊后方面等都會涉及相對應的標準，便于焊接技術(shù)人員掌握和應用，需要說明的是，目前母材及個別其他標準是以歐洲標準為基礎(chǔ)，目前還未上升為國際標準，絕大多數(shù)均已為國際ISO標準。

圖2 以ISO 3834標準為核心的質(zhì)量控制要素的標準

3 國際焊接標準體系構(gòu)成的相關(guān)標準

以ISO 3834作為核心的焊接生產(chǎn)國際焊接標準體系由9部分構(gòu)成，圖2較好的反應了生產(chǎn)制造領(lǐng)域焊接標準體系的實際應用關(guān)系。

3.1 母材方面標準

母材標準通常采用歐洲(EN)系列標準，主要是因為國際(ISO)標準體系中尚未建立完整的母材標準體系，且各國的母材標準又不相同，就焊接標準體系而言，ISO標準與EN標準構(gòu)架基本相同，母材采用EN標準可以與ISO焊接焊接材料標準、質(zhì)量保證體系等相關(guān)標準有很好的對應關(guān)系。母材及焊材的對應見表1，例如基礎(chǔ)類標準EN 10020(鋼的概念和分類)標準中，對“鋼”進行定義并且對鋼種做出分類，如按照化學成分定義了非合金鋼、不銹鋼及合金鋼，按照非合金鋼、不銹鋼和合金鋼的主要性能和使用特性定義了鋼的主要質(zhì)量等級；又如工程應用的標準EN 10025-2(非合金結(jié)構(gòu)鋼的技術(shù)供貨條件)、EN 10025-3(正火細晶粒結(jié)構(gòu)鋼的技術(shù)供貨條件)等，說明了材料的主要技術(shù)供貨條件、母材的化學成分、供貨狀態(tài)、力學性能、碳當量等，有利于了解焊接性并根據(jù)強度、化學成分等選擇合適的焊接材料，并制定合理的焊接工藝。

3.2 焊接材料方面標準

ISO標準中焊接材料標準已基本形成體系，焊接材料中包含有焊條電弧焊用藥皮焊條標準，實心與藥芯焊絲、氬弧焊焊絲焊棒標準，氣保焊用保護氣體種類及埋弧焊用焊劑標準等焊接材料標準，見表1。焊接材料標準的選擇主要依據(jù)母材種類的不同以及焊接方法的不同而不同，如焊條電弧焊焊接碳鋼時，依據(jù)ISO 2560(碳鋼及細晶粒結(jié)構(gòu)鋼焊條電弧焊用藥皮焊條)標準選擇焊條種類，標準中會給出不同的藥皮焊條的強度、主要化學成分、藥皮類型、焊接位置、電流種類及極性及擴散氫的含量等，以保證正確的選擇填充材料的種類；當用MAG(熔化極活性氣體保護焊)焊接碳鋼時，由于焊接方法的變化，填充材料通常選擇ISO 14341(碳鋼及細晶粒結(jié)構(gòu)鋼氣體保護焊用實芯焊絲)及按照ISO 14175(焊接用保護氣體)選擇保護氣體種類。

3.3 焊接工藝規(guī)程(WPS)及焊接工藝評定(WPQR)

WPS及WPQR目前大多采用ISO標準，應用對照表見表2，WPQR的主要目的是用于評定焊接工藝是否正確，而WPS主要是用于指導焊接生產(chǎn)且WPS的制作應根據(jù)有效的WPQR并按照相應的標準要求制作其內(nèi)容，如WPS的編制內(nèi)容依據(jù)ISO 15609(焊接工藝規(guī)程的編制)規(guī)定，且ISO 15609又依據(jù)不同的焊接方法分為不同的部分，如ISO 15609-1，ISO 15609-2等，是因為不同的焊接方法的原理是不一樣的，所涉及的主要參數(shù)也有所不同。WPQR主要是依據(jù)不同的材料、不同的接頭形式及不同的焊接方法而定，如鋼的工藝評定試驗是按照ISO 15614-1(焊接工藝評定試驗-鋼)進行，鋁及鋁合金的工藝評定試驗是按照ISO 15614-2(焊接工藝評定試驗-鋁及鋁合金)進行，鋼與鋁評定的標準不一樣，主要體現(xiàn)在材料本身的性質(zhì)不同而對焊接性及焊接方法的選擇原則不同，所以在母材厚度、焊接位置等覆蓋范圍上考慮也同樣有所不同。

表1 母材及焊接材料對應表

表2 WPS及WPQR應用對照表

3.4 人員資質(zhì)

在焊接標準體系中，對于人員資質(zhì)的要求是不可或缺的，焊接人員包括國際焊接工程師、國際焊接技師、焊工、焊接操作工等，無損檢測人員如外觀檢測人員、磁粉檢測人員等，各類資質(zhì)人員所對應的標準見表3。如ISO 14731(焊接責任人員的職責和任務)標準中規(guī)定了3類人員是屬于焊接責任人員，如國際焊接工程師(IWE)、國際焊接技術(shù)員(IWT)、國際焊接技師(IWS)；而現(xiàn)場手工操作的焊工按照ISO 9606標準的要求取得對應的操作資質(zhì)證書，同時需要注意ISO 9606標準的不同部分是根據(jù)母材的種類不同而區(qū)分，如ISO 9606-1(熔化焊焊工考試標準-鋼)，ISO 9606-2(熔化焊焊工考試標準-鋁及鋁合金)。

表3 各類資質(zhì)人員對應的標準

3.5 焊接接頭檢驗

焊接接頭的檢驗方法包括無損檢測(NDT)及破壞性檢測2大類，所涉及的標準大部分都已經(jīng)從EN標準升級為ISO標準，常用的無損檢測標準見表4，破壞性檢測標準見表5。通常情況下，對于產(chǎn)品的檢測采用無損檢測方法，包括外觀檢測、磁粉檢測、滲透檢測、超聲波檢測及射線檢測等。而破壞性檢測通常用于焊工考試試件的檢測及焊接工藝評定試件的檢測等，如焊工考試試件的檢測可以采用外觀加斷口檢測方法來判斷試件是否合格，端口檢測所依據(jù)的標準是ISO 9017(焊縫斷口試驗)，檢測時需要依據(jù)ISO 9017標準的規(guī)定截取試件的長度、開槽的位置及尺寸等。

表4 常用的無損檢測方法對應的檢測標準

表5 常用的破壞性檢測方法對應的檢測標準

3.6 評定驗收

焊接接頭在進行檢驗后，為了判定缺欠是否超過合格極限的要求，ISO標準中針對不同的檢驗方法有對應的評定驗收標準見表6，以保證焊接接頭的缺欠尺寸在規(guī)定的極限范圍內(nèi)，如外觀檢測按照ISO 17637標準進行，而驗收標準為ISO 5817(焊接—鋼、鎳、鈦及其合金的熔化焊接頭(高能束焊接頭除外)—缺欠質(zhì)量分級)，ISO 5817分為3個驗收級別，分別是B級、C級和D級，其中B級要求最高。

表6 評定驗收標準

3.7 焊前、焊中、焊后相關(guān)標準

焊接過程中的參數(shù)直接影響焊接接頭的質(zhì)量，如焊前坡口準備，因為坡口的形式直接影響焊接接頭是否能夠全熔透，影響焊接過程中的應力及變形等，通常圖紙中僅給出坡口的形式而不會直接給出坡口的角度等細節(jié)，所以在焊接之前可以根據(jù)ISO 9692(焊接推薦坡口準備)標準的推薦選擇合適的坡口角度，而ISO 9692根據(jù)焊接方法的不同及材料種類的不同又分為ISO 9692-1(坡口準備-鋼的焊條電弧焊、熔化極氣體保護焊、氣焊、TIG和能量束焊)，ISO 9692-2(坡口準備-鋼的埋弧焊)，ISO 9692-3(坡口準備-鋁及其合金的熔化極氣體保護焊和TIG焊)，這主要考慮到不同的焊接方法的熱輸入及效率有所不同；焊接過程中溫度的控制同樣重要，如果未預熱、預熱溫度和層間溫度測量不正確則會直接影響焊接接頭質(zhì)量，如出現(xiàn)裂紋等缺陷，標準ISO 13916(預熱及層間溫度的測量)中明確規(guī)定了預熱溫度及層間溫度測量的位置，以及預熱溫度根據(jù)板厚的不同測量區(qū)間同樣也不一致，焊前、焊中、焊后相關(guān)標準見表7。

表7 焊前、焊中、焊后相關(guān)標準

3.8 焊材制造供應

焊材的制造供應標準如焊接材料產(chǎn)品標準EN 13479(焊接消耗品—金屬材料熔焊用填充金屬和焊劑的一般產(chǎn)品標準)，它是作為產(chǎn)品一致性評估的參考文件。當涉及技術(shù)供貨條件時，參考標準ISO 544(焊接耗材—填充材料和焊劑的技術(shù)交貨條件，產(chǎn)品類型，尺寸，公差和標記)，填充材料的質(zhì)量要求參考標準EN 12074(焊接耗材—焊接和相關(guān)工藝用耗材的生產(chǎn)、供應和分銷的質(zhì)量要求)等。焊材制造供應相關(guān)標準見表8。

表8 焊材制造供應相關(guān)標準

3.9 環(huán)境、健康與安全

在焊接過程中，焊接人員的健康與安全防護已經(jīng)得到越來越多的重視，如焊接過程中的煙塵過多可能會導致焊工出現(xiàn)塵肺病等職業(yè)病，焊接電弧的弧光中涉及紅外線、紫外線及強烈的可見光，這些光線的存在會導致焊工的視力下降、白內(nèi)障、視網(wǎng)膜脫落及灼傷皮膚等，標準EN 170(個人眼防護—紫外線濾光鏡、透射要求和推薦使用)中給出一些防護推薦，可供推薦選擇。其它環(huán)境、健康與安全相關(guān)標準見表9。

表9 環(huán)境、健康與安全相關(guān)標準

4 國際焊接標準體系的應用實例

現(xiàn)以某煤礦設(shè)備制造企業(yè)的典型產(chǎn)品“液壓支架頂梁焊接”為例，該產(chǎn)品的生產(chǎn)是以ISO 3834作為生產(chǎn)實際應用的核心技術(shù)標準，并從與質(zhì)量控制的諸多因素如母材及焊材、工藝評定及焊接工藝規(guī)程、人員資質(zhì)要求、焊接過程控制、焊接接頭的檢驗與評定等各個方面進行綜合的考慮評估，以保證焊接產(chǎn)品的質(zhì)量。

4.1 液壓支架頂梁焊接產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)簡介

液壓支架由液壓缸(立柱、千斤頂)、承載結(jié)構(gòu)件(頂梁、掩護梁和底座等)、推移裝置、控制系統(tǒng)和其它輔助裝置組成。頂梁是直接與頂板接觸，傳遞支撐力并起護頂作用的承載構(gòu)件。液壓支架3大件中(頂梁、掩護梁和底座等)，頂梁一次拼裝多為較規(guī)則的箱型結(jié)構(gòu)，縱向筋板折彎少，只有鉸接位置有加強貼板，箱體結(jié)構(gòu)深度較為均勻，蓋板拼裝后，邊檔多是彎蓋板，中檔是較為平直的大蓋板，頂梁頂板一般存在復合雙層結(jié)構(gòu)，采用MAG焊進行焊接，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 頂梁結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 焊接質(zhì)量體系要求

該企業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)主要以金屬材料熔化焊焊接方法為主，在焊接生產(chǎn)之前，企業(yè)順利通過了ISO 3834-2(金屬材料熔化焊焊接質(zhì)量要求—完整質(zhì)量要求)國際焊接質(zhì)量體系認證，焊接產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過程嚴格按照ISO 3834-2標準體系要求，所有文件的準備、現(xiàn)場焊接相關(guān)要求、人員的資質(zhì)要求均滿足ISO 3834-2的要求，很好的保證了焊接產(chǎn)品的質(zhì)量。

4.3 母材與焊材的技術(shù)條件

母材的選擇按照要求選用GB/T 16270(高強度結(jié)構(gòu)用調(diào)質(zhì)鋼板)低合金高強鋼Q550D和Q690D，相當于歐洲標準EN 10025-6(調(diào)質(zhì)細晶粒結(jié)構(gòu)鋼的供貨條件)S690Q等，板厚范圍10～80 mm，具體化學成分見表10，力學性能標記見表11。

針對于此產(chǎn)品結(jié)構(gòu)且考慮到生產(chǎn)效率等問題，采用熔化極活性氣體保護焊(MAG)進行焊接，所選用的填充材料從質(zhì)量保證的角度考慮按照等強匹配原則選材，異種鋼要求強度不低于較低一側(cè)母材的強度，對于Q550材料選擇使用70公斤級焊絲，Q690D材料使用80公斤級焊絲進行焊接，焊絲選用滿足國標GB/T 8110(氣體保護電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲)，相當于國際標準ISO 14341(碳鋼及細晶粒結(jié)構(gòu)鋼氣體保護焊用實心焊絲)。

表10 母材的主要化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表11 母材的力學性能

4.4 焊接工藝評定的確定

依據(jù)ISO 15614-1(金屬材料焊接工藝規(guī)程及評定-焊接工藝試驗-鋼的電弧焊和氣焊、鎳及鎳合金的電弧焊)，針對于該產(chǎn)品需要考慮板材厚度的覆蓋范圍、對接和角接接頭類型等問題，制作工藝評定共計4項如下：①對接焊縫，選擇40 mm板材全熔透焊接，覆蓋范圍為20～80 mm；②角接焊縫，選擇30 mm板材進行多道焊接，覆蓋范圍為≥5 mm；③Q550D和Q690D針對于以上①和②都需要單獨考慮，因為焊材的主要成分不一致。

4.5 焊工考試項目的確定

依據(jù)ISO 9606-1(熔化焊焊工考試標準-鋼)，針對于該產(chǎn)品需要考慮焊接位置、接頭類型及材料厚度的覆蓋范圍，由于該產(chǎn)品屬于厚板，焊接位置包括平焊(PA)、平角焊(PB)及橫焊(PC)，根據(jù)標準及實際情況考慮如下：①對接焊縫，選擇12 mm板PC位置全熔透進行考試，覆蓋厚度范圍為≥3 mm，焊接位置覆蓋PA；②角接焊縫，選擇12 mm板多層多道焊接，厚度覆蓋范圍≥3 mm，另外根據(jù)標準多層可以覆蓋單層焊縫。

4.6 焊接工藝過程的控制

4.6.1預熱、層間溫度控制

根據(jù)碳當量公式可以計算出Q550D及Q690D母材的碳當量分別約為0.55和0.6，碳當量在0.4～0.6之間，根據(jù)推薦需要適當預熱，另考慮母材厚度屬于中厚板，預熱及層間溫度的控制按照企業(yè)規(guī)定滿足母材強度級別在700 MPa以上的，預熱溫度≥80 ℃，層間溫度≤200 ℃，且層間溫度不低于預熱溫度，根據(jù)ISO 13916標準規(guī)定，應注意預熱溫度測量的位置(坡口以外)及層間溫度測量的位置(焊道)。

4.6.2焊接

焊接用保護氣體采用82% Ar+18% CO2混合氣體，結(jié)構(gòu)件在焊接過程中盡量采用多層多道進行焊接，注意層與層之間的熔合，避免出現(xiàn)未熔合缺陷，并且應該按照EN 1011-1標準中的熱輸入公式嚴格控制焊接的熱輸入，熱輸入應控制在工藝評定±25%范圍內(nèi)，以避免溫度過高而導致焊縫金屬晶粒粗大而造成接頭的力學性能下降。

4.7 焊接接頭的驗收

焊后需要進行無損檢測，針對于對接焊縫需要進行外觀檢測(VT)并按照ISO 5817-B進行驗收、磁粉檢測(MT)及超聲檢測(UT)；角接焊縫需要進行外觀檢測(VT)及磁粉檢測(MT)。無損檢測相關(guān)人員必須取得符合ISO 9712的VT-II級資質(zhì)證書、MT-II級資質(zhì)證書及UT-II級資質(zhì)證書。

5 結(jié)束語

焊接技術(shù)由于其優(yōu)良的連接性能，應用規(guī)模之大和應用領(lǐng)域之廣泛，已成為制造業(yè)不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)，并由簡單技藝進化成復雜的工程學科。焊接標準的不斷推出，大大促進了焊接技術(shù)的工程應用，同時也非常利于技術(shù)本身的完善和進步。另外，近期焊接標準的制定與修訂體現(xiàn)出緊跟技術(shù)發(fā)展的特點,如激光焊復合焊、攪拌摩擦焊等。新標準的制定大大豐富了以ISO 3834標準為核心的標準體系的內(nèi)容，其標準體系本身構(gòu)架并不會發(fā)生改變，僅僅是ISO 3834標準為核心的質(zhì)量控制要素相關(guān)9個方面標準的某些具體內(nèi)容不同，如激光焊復合焊的缺欠質(zhì)量分級(鋼、鎳及鎳合金)采用 ISO 12932，而非ISO 5817，攪拌摩擦焊(鋁及鋁合金)焊接工藝規(guī)程及評定采用ISO 25239-4，而不是ISO 15609和ISO 15614。

總之，以ISO 3834標準為核心的焊接生產(chǎn)應用領(lǐng)域標準體系的形成和提出，較好的揭示了熔化焊制造領(lǐng)域相關(guān)標準構(gòu)成和其內(nèi)在關(guān)系，同時能使焊接專業(yè)技術(shù)人員更好的掌握和使用國際焊接標準，并全面了解國際焊接標準在工程技術(shù)領(lǐng)域的應用，從而可以幫助工程技術(shù)人員全面提升國際化水平，并助力焊接生產(chǎn)制造企業(yè)走向世界國際市場。