焊接工艺评定中母材的分类与评定规则的语言方法

焊接工艺评定中母材的分类与评定规则的语言方法靳茂明（江苏省特种设备安全监督检验研究院，南京）摘要：本文提出母材的分类应以实现评定目为原则，分类是实现无冲击要求评定的基础，分组是实现有热影响区冲击要求评定的基础。母材焊接组合类型的逻辑分类是评定规则定义的语言基础，对评定规则的语言方法提出一些建议。对ASME和国内冲击试验温度的要求进行对比，认为国内对冲击温度的规定无法实现有冲击要求时母材的评定规则。关键词：焊接工艺评定；母材；分类；母材组合类型；语言方法；群体概念；个体概念；The classification of base metals in welding procedure qualification and the language method of qualification rulesJin Maoming (Jiangsu Province Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute, Nanjing , China)Abstract: The classification of base metals should be in order to qualification objective. The first classing is used in non-impact qualification,and second classing is used in heat-affected zone impact qualification. Logical types of metals welding combinations is language basis for qualification rules. Suggesting the Language method in qualification rules.For requirements of impact temperature, comparing ASME standard with chinese standard. Considering the requirement of impact temperature of chinese standard is not satisfied the need of base metals qualification rules,when impact test is required.Key words: Welding procedure qualification;base metals; Classification; Welding combination types for base metals；Language method; Group concept; individual concept.1. 母材的分类体系1.1 母材分类的目的母材的分类是为了减少焊接工艺评定的数量,使焊接特性相同或相近似的母材之间在满足一定条件时具有可互换性。1.2 母材的分类和评定要求的等级1.2.1 焊接工艺评定的等级 在ASME 中，焊接工艺评定的级别可以分为3个级别：低级别的无冲击要求评定、较低级别的无热影响区的冲击要求的评定、较高级别的含热影响区冲击要求的评定。（注：ASME 中当只要求焊缝金属冲击试验时，其母材的评定要求与无冲击评定相同。）在国内的标准中，分为2个级别：较低级别的无冲击要求的评定和较高级别的有冲击要求的评定。（注：国内标准中有冲击要求时，热影响区冲击试验为必做项目。）评定要求之间的依存关系是：无冲击要求评定合格是有冲击要求评定合格的必要条件，无热影响区的冲击要求评定合格是含热影响区冲击要求评定合格的必要条件。（注：此处的“评定”含义既可以指力学性能的验证，也指不同母材之间的可互换性的判断。）1.2.2 无冲击要求下母材的分类 在无冲击要求时，为了实现母材之间的可互换性，可以将焊接特性相同或相近似的母材归为一类（保证拉伸、弯曲性能相同或相近似，不考虑热影响区冲击性能），这样全部的母材将被划分为若干个类别。在相同类别内的任意一个母材可以评定其余的母材，同时在相同类别内的任意两个不同母材的焊接也可以评定其余的母材以及其余任意两个母材的焊接，但评定条件是无冲击要求。1.2.3 有冲击要求下母材的分类在有冲击要求时(含热影响区冲击)，即使相同类别内的母材也可能不具有可互换性（因为母材的冲击性能可能不同,从而影响热影响区的冲击性能），因此需要进一步的分类，可以将包括母材的冲击性能在内的焊接特性相同或相近似的母材归为一类，我们定义分类结果为组别。这样，每个类别内的母材又被划分为若干个组别，相同组别内的母材在有冲击要求的条件下彼此具有可互换性，当然在无冲击要求时也必然具有可互换性。1.2.4 小结 在母材的分类体系中，为了满足无冲击要求评定和有冲击要求评定的需要，类别的划分和组别的划分都是必须的，且类别的数量和组别的数量不允许为零。如果某一个指定的母材不存在和它相同或相近似的其他母材，则该母材应视为独立的一个类别或组别。这个结论十分重要，是概念理论对母材分类体系的科学指导，是评定规则能够实现的逻辑基础。国内评定标准中存在只有一个类别而缺少进一步组别分类的情况，这样的分类结果无法满足有冲击要求下的评定需要，必须指明这些母材是否属于相同的组别或指明每一种母材作为独立的一个组别。2. 母材焊接的组合类型2.1评定规则中母材可互换性的表现形式 母材的可互换性不仅仅局限于相同的类别或组别，不同的类别或组别之间也可能存在可互换性。假设有任意不同的具体牌号的母材A、B、C、D（它们可能是相同或不相同类别，也可能是相同或不相同组别），在满足一定条件下可能推理出下面4种形式：（1）A-A合格 可评定 B-B合格 或 A-B合格 或 B-C合格，或可以评定其结果所代表的概念类型。（2）A-B合格 可评定 A-C合格 或 C-C合格 或 C-D合格，或可以评定其结果所代表的概念类型。（3）（A-A合格 且 B-B合格）可评定 A-B合格（4）A-B合格 可评定（A-A合格 和 B-B合格） 当ABCD为相同类别或相同组别时，以上4种评定形式用类别代号和组别代号可以准确地实现语言的描述，但当ABCD为不同类别或不同组别时，以上4种评定形式用语言描述将遇到困难。因此，需要依据母材的分类体系，对母材焊接的组合类型进行分类。2.2 母材组合类型的分类：（1）对焊：同一牌号母材之间的焊接。（2）组焊：不同牌号母材之间的焊接。（3）同类组焊：同一类别中不同母材之间的焊接。（4）跨类组焊：不同类别母材之间的焊接。（5）同组组焊：同一组别中不同的两种母材之间的焊接。（6）跨组组焊：同一类别中不同组别的两种母材之间的焊接。（7）同类焊接：同一类别中的对焊和组焊。（8）同组焊接：同一组别中的对焊和组焊。 以上定义加上类别代号和组别代号后，母材评定规则就可以进行准确的语言描述，复杂概念的表达以术语的形式完成，这将极大程度上提高了语言效率。如：本文1.2.2中相同类别中的母材评定规则可以这样规定：无冲击要求时，任何一个同类焊接可以评定相同类别的同类焊接。2.3 评定规则中母材互换性的定义描述形式（1）某个类别或组别的对焊或组焊合格，可以评定其他类别的同类焊接或同组焊接，或评定一个跨类组焊或跨组组焊。（A-A合格 可评定 B-B合格 或 A-B合格 或 B-C合格）（2）一个跨类组焊或跨组组焊合格，可以评定这两种母材与某个类别或组别的跨类组焊或跨组组焊，或评定另一个同类焊接或同组焊接，或评定另一个跨类组焊或跨组组焊。（A-B合格 可评定 A-C合格 或 C-C合格 或 C-D合格）（3）两个母材各自对焊合格，满足一定条件时，可以评定这两种母材的组焊。这里的条件是指是否有热影响区冲击要求以及两种母材形成哪种类型的组焊。（A-A合格 且 B-B合格 可评定 A-B合格）（4）一个组焊合格，满足一定条件时，可以评定这两种母材的各自对焊。这里的条件是指是否有热影响区冲击要求以及两种母材形成哪种类型的组焊。（A-B合格 可评定 A-A合格 和 B-B合格）2.4 小结母材评标准应按以上2.3中的4种形式，分无冲击要求时和有冲击要求时两种情况分别制定规则，这是语言定义应该遵守的逻辑准则，是母材评定规则的科学定义方法，否则就会出现规则上的矛盾定义或逻辑上的遗漏。可互换性的定义（1）和（2）主要是对概念类型之间的可互换性规定，适用于所有具有相同概念类型的母材。定义（2）也可能只允许评定过的具体概念与某个类别或组别的跨类组焊或跨组组焊，这将取决于焊接专家的判断。可互换性的定义（3）和（4）是对两个具体概念的跨类组焊或跨组组焊和两个对焊之间可互换性的规定，即只适用于某两个具体明确的母材牌号，不适用于其他具有相同概念类型的母材，这种理解是依据ASME 的相关规定的分析。3. 评定规则的语言方法3.1 规则定义法3.1.1 正逻辑定义 定义全部的可评定（或可覆盖）范围。当无冲击要求时，在逻辑上反映的是对全部的次要因素和补加因素进行定义；当有冲击要求时，在逻辑上反映的是对全部的次要因素进行定义。正逻辑规则是局部逻辑关系下评定合格的充分条件，是全局逻辑下评定合格的必要条件。3.1.2 负逻辑定义 定义全部的不可评定（或不可覆盖）范围。当无冲击要求时，在逻辑上反映的是对全部的重要因素进行定义；当有冲击要求时，在逻辑上反映的是对全部的重要因素和补加因素进行定义（注：有冲击要求时，实际上是通过定义补加因素对无冲击评定的合格范围进行限制）。负逻辑规则无论是在局部逻辑还是在全局逻辑关系下，都是评定不合格的充分条件。3.2 变素定义法 只定义评定因素改变的性质，即只给出某种改变是重要因素（重要变数）还是补加因素（附加重要变数），次要因素将被省略定义。任何一个变素定义法都可以转化为规则定义法。否定形式的变素定义法宜用于补充定义。3.3 特例许可或禁止 因为个别母材的焊接特性可能存在一些特殊规律，不适用于相同概念类型下的其他母材适用的通用评定规则或变素定义，所以应以特例的形式给于许可或禁止。特例许可或禁止只是解决个体属性和群体属性之间矛盾的一种方法，但不表明这种矛盾一定存在，只是在需要的时候采用。3.4 群体概念和个体概念评定规则的语言必须表达出准确的概念并能够区分出群体概念和个体概念，否则对于规则的理解将产生异义。假设有规则：M2类别内的母材评定合格，可以评定M2类别内的母材与M1类别内母材的焊接。首先在条件语句中，“评定合格”是指任意一个母材的对焊还是指任意两个母材的组焊没有表达清楚。条件语句中的“M2类别内的母材”可以判断为个体概念，指M2类别内母材的任意一个的焊接组合，但在结果语句中“可以评定M2类别内的母材与M1类别内母材的焊接”，我们已经无法判断M2类别内的母材是指评定过的具体母材牌号，还是指M2类别内的全部母材，所以这样的规则定义存在语言缺陷。评定语言中的条件对象一般是指具体的任意一个个体概念，但评定结果中可能是指评定过的具体牌号（个体概念），也可能是指具体牌号所代表的相同概念类型的全部牌号或任意一个牌号（群体概念）。判断一个概念是个体概念和群体概念不能仅仅从语言形式上看，而要分析每一个个体是否需要同时满足设定条件或全部符合设定结果。在本文2.3中的可互换性的定义（3）和（4）的形式中，无论是条件还是结果中母材对象都是具体的个体概念。3.5 小结 评定规则的语言应遵守语言逻辑，能够正确和准确地表达概念，能够区分出定义对象是群体或个体。应用术语对复杂概念的描述和概念的重复使用，可以提高语言的表达效率。正逻辑规则和负逻辑规则的使用，应考虑语言习惯以及人们的思维方式，一般情况下，对同一个评定因素的规则，不宜同时采用正逻辑规则和负逻辑规则以及变素定义法。当评定规则所反映的逻辑结果较复杂时，可以使用注解的形式用反逻辑进行补充说明，但不宜作为评定规则的正文，否则容易产生逻辑上的混乱。4. 母材的类别划分和组别划分在评定规则中的应用4.1 母材的类别划分可以实现的目的（1）用于定义在无冲击要求时的可逆互换性，即相同类别内的“同类焊接”具有可互换性。（2）用于定义在无冲击要求时的不可逆互换性，某个类别内的“同类焊接（个体概念）”评定该类别内的母材（个体概念或群体概念）与另一个类别的“跨类组焊”，或评定另一个类别内的“同类焊接（群体概念）”，或评定另一个“跨类组焊（群体概念）”。（3）用于定义在无冲击要求时两个具体母材的“对焊”和“组焊”之间的可互换性，即不同类别的某两个具体母材之间“跨类组焊（具体的个体概念）”和各自“对焊（具体的个体概念）”之间的可互换性。按ASME规定的分析，这种互换性是可逆的。4.2 母材的组别划分可以实现的目的（1）用于定义在有冲击要求时的可逆互换性，即相同组别内的“同组焊接”具有可互换性。（2）用于定义在有冲击要求时的不可逆互换性，相同组别内的“同组焊接（个体概念）”，评定该组别的母材（个体概念或群体概念）与相同类别内另一个组别的“跨组组焊”，或评定相同类别内的另一个“同组焊接”或另一个“跨组组焊”。（注：根据对ASME 的理解，有热影响区冲击要求时，不允许“同组焊接”评定评定一个“跨组组焊”或评定另一个“同组焊接”，而国内评定标准则存在这种规则。）（3）用于定义在有冲击要求时两个具体母材的“对焊”和“组焊”之间的可互换性，即相同类别内不同组别的某两个具体母材之间“跨组组焊（具体的个体概念）”和各自“对焊（具体的个体概念）”之间的可互换性。按ASME规定的分析，这种互换性是可逆的。（4）也可能用于无冲击要求时，某个类别内的“同类焊接（个体概念）”评定该类别（可能是个体概念，也可能是全体概念）与另一个类别的部分组别的“跨类组焊”。以上可以实现的评定目的，仅仅表示概念关系上可能存在的评定关系，但不表明这种关系一定存在或正确，也没有归纳出全部可能存在的其他评定关系。4.3 小结在描述复杂概念关系时，需要科学地运用语言逻辑，使语言能够准确高效率地表达概念。评定语言中对群体概念和个体概念应能够明确区分，必要时可以使用更加明确的语言方式，如：“某类别和组别的全部母材”用来指群体概念（全部母材或任意一个母材），“某类别或组别评定过的母材”用来指个体概念（评定过的具体母材牌号）。在一个同类焊接评定一个跨类焊接和一个同组焊接评定一个跨组焊接的规则中，无论是国内评定标准还是ASME 中，都没有准确的表达出评定结果是只针对已经评定过的具体母材，还是对具体母材所代表的概念类型。例如（仅用于逻辑分析）：06Cr23Ni13和0Cr23Ni13属于相同类别和相同组别Fe-8-2，0Cr18Ni9属于相同类别但组别低一个级别Fe-8-1。按照国内有关评定规则，有冲击要求时（假设三种母材的最低使用温度相同，要求的冲击温度和冲击指标也相同），06Cr23Ni13对焊评定合格后，是只可以评定06Cr23Ni13和0Cr18Ni9的跨组组焊，还是也可以评定0Cr23Ni13和0Cr18Ni9的跨组组焊，这个问题在国内评定规则中没有准确地表达清楚，在无冲击要求规则中也存在类似的问题。在ASME 中，有热影区冲击要求时，ASME规定任何一个评定过的同组对焊或同组组焊，只能评定相同组别内的同组焊接（即相同组别内的组焊和对焊，为群体概念），任何一个跨类组焊或跨组组焊评定合格（个体概念），都只能评定该两种具体牌号母材之间的组焊（个体概念），ASME 在有冲击要求时，群体和个体概念是表达清楚的，但这不表明ASME标准意识到了这一概念问题，而是因为评定结果不涉及到群体概念。但在无冲击要求评定规则中，ASME 在同类焊接评定一个跨类组焊的规则中，对群体概念和个体概念的问题上就没有说明清楚。以上说明仅仅是从概念的准确性所进行的分析，对于逻辑结果的正确性应该由焊接专家做出解释和判断。5. 国内评定标准的母材组别划分如果说母材的分组是为了实现相同组别内的母材具有可逆互换性，那么相同组别内的任何一个母材还应该具有相同或相近似的冲击特性，包括材料的使用温度、冲击温度、冲击指标，否则母材的分组将失去意义，同时会因为冲击温度的不一致而造成有冲击要求时母材评定规则的无意义规定。如果无法做到这一点，则在标准中应该明示出规则的局限性，此时的规则仅仅为母材互换提供一种可能性，能否成立取决于焊接经验和行业认可。此时的母材评定规则（指正逻辑定义）将不再是局部逻辑下评定合格的充分条件，从而导致全局逻辑结果不存在充分性。ASME IX中组别的划分结果符合有热影响区冲击要求时评定规则的要求，相同组别内的任意母材具有可逆互换性（至少在规则上是这样规定）。国内的评定标准对组别的划分仅仅考虑了材料的强度级别，并没有充分考虑化学成分的差别对母材热影响区冲击特性的影响，至少部分组别内的母材存在明显不同的冲击温度和冲击指标，而有的类别内甚至缺少组别划分，所以国内的母材分组结果不能满足相同组别内的母材具有可逆互换性，也不能满足有冲击要求时的母材评定规则的要求，而不分无冲击要求和有冲击要求，采用相同的母材评定规则，更是母材评定方法上的错误。6. 实际应用中有冲击要求时实现母材互换性的可能性分析如果仅仅从母材评定规则上看，似乎有冲击要求时母材之间的可互换性很容易实现，其实并非如此。焊缝金属的冲击性能与母材无关，只取决于焊材性能的相同或相近似，这可以由焊材的评定规则和焊接工艺方面的评定规则得到保证。热影响区的冲击性能也可以由母材的分组和焊接工艺方面的评定规则得到保证。但是，还有一个重要影响，那就是在具体产品设计上对冲击试验温度要求的不同，显然一个较高冲击温度的PQR不能评定一个较低冲击温度要求的产品，这个默认的规则是实现母材互换性的最后一个条件，但这个默认的最具决定性的规则却在标准中缺失。6.1 有冲击要求时ASME标准中母材实现可互换性的评定条件ASME DIV.标准UCS-66及相关条款对碳钢和低合金钢材料的冲击要求进行规定,按这个规定当冲击试验不能豁免时，进行的冲击试验温度不高于产品的最低设计金属温度MDMT（冲击要求不能豁免时与国内的最低设计温度为相同概念）。假设试件材料A在某个厚度进行过T温度的冲击试验且合格，产品材料B的最低设计温度为Tb，且冲击试验不能豁免，则当A和B为相同组别母材且没有发生重要变素和补加变素改变时，如果温度TTb，则材料A可以评定材料B。6.2 有冲击要求时国内标准中母材实现可互换性的可能性GB150几乎对所有的碳钢和低合金钢都有冲击要求的规定，对冲击温度的要求除铬镍奥氏体不锈钢按最低设计温度外（GB150.4-2011压力容器7.2.3条:设计温度在-196Td-100之间时），其他母材的冲击温度都按NB/T 47014-2011承压设备焊接工艺评定中规定的按材料标