有關(guān)焊接接頭力學性能測試方面若干問題的探討

, ,

(中國船舶重工集團公司第七二五研究所, 洛陽 471023)

有關(guān)焊接接頭力學性能測試方面若干問題的探討

張先鋒,葉宏德,高靈清

(中國船舶重工集團公司第七二五研究所, 洛陽 471023)

針對焊接接頭性能測試與焊接工藝評定中常易引起分歧或者相關(guān)標準沒有明確規(guī)定的一些問題，諸如通過橫向拉伸試驗獲得接頭的屈服強度與斷后伸長率是否合理，拉伸試樣平行段長度對試驗結(jié)果的影響，拉伸/彎曲試樣焊縫余高是否去除，熱影響區(qū)沖擊試樣缺口位置的規(guī)定等，根據(jù)自身的工作經(jīng)驗以及大量的文獻查閱，對相關(guān)標準規(guī)定之間的區(qū)別進行了闡述，并從理論上進行了分析與討論。鑒于不同標準對同一測試項目的不同規(guī)定易造成試驗結(jié)果之間的顯著差異，建議盡快對統(tǒng)一相關(guān)標準的可能性和可行性進行討論。

焊接接頭； 橫向拉伸試驗； 平行段長度； 焊縫余高； 熱影響區(qū)缺口位置

焊接性能檢測與焊接工藝評定中需要參照一些試驗方法標準(比如GB/T 2650-2008《焊接接頭沖擊試驗方法》[1]、GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗方法》[2]、GB/T 2652-2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法》[3]、GB/T 2653-2008《焊接接頭彎曲試驗方法》[4]等)，不同行業(yè)針對焊接接頭性能的測試制定了相應(yīng)的行業(yè)標準(比如NB/T 47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》[5]、《中國船級社 材料與焊接規(guī)范》[6]等)，各個國家也制定了自己的國家標準[常用的有ASME Section Ⅸ-2013《鍋爐及壓力容器規(guī)范 第Ⅸ卷：焊接和釬接評定》[7]、API SPEC 5L-2007《管線鋼管規(guī)范》(44版)[8]等]，然而相同的檢測項目在不同的標準中，一些規(guī)定與說明存在較大的差異，另外由于標準文字描述的特殊性，導致不同的技術(shù)人員對標準的理解也不一樣，以上這些都容易引起分歧與爭執(zhí)。筆者根據(jù)多年的實踐工作經(jīng)驗，同時查閱了大量的文獻資料，對焊接接頭性能測試中常易混淆以及容易引起分歧的幾個問題進行了闡述，以供相關(guān)人員參考。

1 接頭橫向拉伸試驗屈服強度與斷后伸長率測試結(jié)果合理性分析

無論是焊接性能檢驗還是焊接工藝評定，焊接接頭的拉伸性能都是一項重要的技術(shù)要求。對于焊接接頭拉伸試驗的取樣位置，如果沒有特殊說明，一般是指垂直于焊縫方向取樣，拉伸試樣的平行段由母材、熱影響區(qū)、熔合線、焊縫幾部分組成，通過橫向拉伸試驗可以獲得焊接接頭的最薄弱環(huán)節(jié)，可用于評價焊接接頭抵抗斷裂的極限能力。

對于接頭拉伸試驗能夠獲得的性能指標，要求進行橫向取樣的GB/T 2651-2008與NB/T 47014-2011規(guī)定，抗拉強度Rm是其唯一的檢驗指標，而要求進行縱向取樣的GB/T 2652-2008對檢驗指標的要求等同于對母材的要求，除了要求測試焊縫的抗拉強度以外，還要求獲得屈服強度Rp0.2、斷后伸長率A以及斷面收縮率Z。筆者在日常的檢測工作中發(fā)現(xiàn)，由于對于標準的理解存在偏差，一些工程技術(shù)人員在進行接頭橫向拉伸試驗時，時常要求對接頭的屈服強度和斷后伸長率也進行測試，而筆者在查閱文獻的過程中發(fā)現(xiàn)一些科研工作者[9-12]也常常將接頭橫向拉伸的屈服強度作為焊接工藝評定的性能指標。

針對以上問題，開展了大量的對比試驗進行驗證，結(jié)果見表1。試驗所選材料為16 mm厚的Q345焊接試板(焊縫寬度約為14 mm)，按照GB/T 228.1-2010[13]中R4型試樣加工出橫向拉伸試樣(焊縫在試樣平行段的中間位置)、母材拉伸試樣以及全焊縫拉伸試樣。試驗時母材與全焊縫試樣夾持50 mm引伸計，接頭橫向拉伸試樣使用了10，25，50 mm共3種標距的引伸計(引伸計夾持在試樣平行段的中間位置)。從表1可以看出，接頭橫向拉伸試樣雖然都斷在了母材上，但所獲得的抗拉強度均高于母材試樣的，而低于全焊縫試樣的；屈服強度的測試結(jié)果受引伸計標距的影響較大，所選用引伸計的標距越大，獲得的屈服強度則越接近母材試樣的，反之則越接近全焊縫試樣的，當使用的引伸計標距小于焊縫的寬度時(對應(yīng)10 mm引伸計)，甚至出現(xiàn)了試樣已經(jīng)斷裂，但接頭屈服強度仍未被測出的情況；依據(jù)GB/T 228.1-2010，對斷后伸長率也進行了計算，接頭橫向拉伸試樣所獲得的斷后伸長率介于母材試樣的與全焊縫試樣的之間，且遠小于母材試樣的。

表1 對比驗證試驗結(jié)果Tab.1 The comparison and verification test results

對于焊接接頭來講，其包含了焊縫、熔合線、熱影響區(qū)以及母材幾部分，由于各部分材料成分與組織狀態(tài)的差異，其整體材料性能不是均勻的，在拉伸試驗過程中各部分的應(yīng)力水平也是不同的。因此，筆者認為接頭橫向拉伸試驗所獲得的屈服強度與斷后伸長率既不能代表母材的性能，也不能夠代表全焊縫的性能，不具有明確的物理意義，利用其來評價焊接接頭的性能是不合理的。

2 接頭橫向拉伸試樣平行段長度對測試結(jié)果的影響

焊接工藝評定中焊接接頭橫向拉伸試樣的尺寸對試驗結(jié)果與焊接評判也有著重要的影響，在試樣的尺寸參數(shù)中，試樣的平行段長度對試驗結(jié)果影響較為顯著，即圖1中的Lc(Ls代表焊縫寬度)。針對該尺寸，不同標準對其規(guī)定也不一樣，最常用的幾個焊接工藝評定參照標準為GB/T 2651-2008(等同采用ISO 4136：2001[14])，NB/T 47014-2011，ASME Section Ⅸ-2013，這幾個標準對拉伸試樣平行段長度的規(guī)定見表2。

圖1 焊接接頭橫向拉伸試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of transversal tensile specimenof welding joint

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，NB/T 47014-2011和ASME Section Ⅸ-2013對接頭橫向拉伸試樣平行段長度的要求基本一致，而GB/T 2651-2008對試樣平行段長度的要求則顯著大于前兩者的。筆者從同一塊焊接試板上下料，加工出了以上3種尺寸試樣，并分別進行了拉伸試驗，結(jié)果見表3，可以看出按照NB/T 47014-2011和ASME Section Ⅸ-2013進行試驗的測試結(jié)果無明顯差異，且均高于按照GB/T 2651-2008進行試驗的結(jié)果。出現(xiàn)這些差異的原因主要有兩個：一方面是如果試樣平行段母材部分的長度越長，出現(xiàn)薄弱區(qū)域的概率就越大，拉伸過程中試樣就會提前斷裂導致強度降低；另一方面更主要的原因在于，如果接頭橫向拉伸試樣平行段的長度較短，則參與斷裂變形的區(qū)域被兩側(cè)夾持端束縛，變形過程被約束，這就需要更大的載荷才能夠?qū)⑵淅瓟?，最終導致抗拉強度的升高。有學者分析認為[15]，焊接接頭橫向拉伸試驗的目的是為了考核焊接接頭的極限抗拉強度是否達到了母材規(guī)定的最低抗拉強度要求，因此焊接接頭橫向拉伸試樣的平行段長度一般較短，通常只包含焊縫區(qū)和熱影響區(qū)，以強迫拉伸試樣斷在焊接接頭范圍內(nèi)。這種觀點傾向于選擇按照NB/T 47014-2011和ASME Section Ⅸ-2013要求進行取樣，但按照GB/T 2651-2008要求進行取樣也被眾多的工程技術(shù)人員所采用。筆者認為，雖然不同標準的要求不同，但在實際的工程應(yīng)用中，應(yīng)依據(jù)檢驗標準的要求進行取樣與試驗，以免造成不必要的分歧，比如在壓力容器的認證過程中，鍋檢所就要求拉伸試樣的平行段長度應(yīng)嚴格按照NB/T 47014的規(guī)定控制在“焊縫最大寬度+12 mm”范圍內(nèi)。

表2 各標準對接頭橫向拉伸試樣平行段長度的規(guī)定Tab.2 The regulation of parallel section length fortransversal tensile test in different standards

3 接頭試驗件焊縫余高的規(guī)定

在焊接工藝評定中還存在著另外的一個問題，即大多數(shù)技術(shù)條件中沒有對試驗件是否去除焊縫余高作出具體的規(guī)定，而不同標準對相關(guān)內(nèi)容的規(guī)定又不相同，甚至是相反的。對于檢測人員來說，需要對此有清晰的認識，了解去除焊縫余高與否對測試結(jié)果的影響規(guī)律。

表3 按3個標準加工試樣的拉伸試驗結(jié)果對比Tab.3 Comparison of tensile test results of specimensmachined according to three standards

3.1 拉伸試樣是否去除焊縫余高

GB/T 2651-2008規(guī)定“超出試樣表面的焊縫金屬應(yīng)通過機加工除去。除非另有要求，對于有熔透焊道的整管試樣應(yīng)保留管內(nèi)焊縫”。這表明該標準是傾向于去除焊縫余高的，對于需要進行整管拉伸的焊管來說，由于去除內(nèi)部焊縫余高的難度較大，可以不對內(nèi)部焊縫余高進行處理，但表面焊縫余高要通過適當?shù)姆绞饺コ?。API SPEC 5L-2007則規(guī)定“焊縫余高是否去除由制造廠決定”，這就把問題拋給了制造廠，但在附錄C中針對補焊工藝評定，又作出了“試樣兩面的焊縫余高應(yīng)去除，抗拉強度應(yīng)至少等于相應(yīng)鋼級鋼管規(guī)定的最小抗拉強度”的規(guī)定，要求對焊縫余高進行去除。NB/T 47014-2011對拉伸試樣也作出了“試樣的焊縫余高應(yīng)以機械方法去除，使之與母材齊平”的規(guī)定?！吨袊壣?材料與焊接規(guī)范》中對對接接頭拉伸試樣焊縫余高的規(guī)定為“焊縫上下表面應(yīng)銼平、磨光、或機加工至與母材表面齊平”。對于焊接試驗件來說，是否去除余高，對試驗結(jié)果、斷裂位置及評判結(jié)果的準確性、統(tǒng)一性是有影響的。若不去除余高，焊縫的斷面尺寸勢必大于母材的，即使焊縫強度低于母材的，也增加了試驗件斷在母材上的概率。還有少數(shù)情況，如果試驗件斷在了焊縫上，由于焊縫的斷面尺寸不規(guī)則，無法進行準確的計算，是按照母材的截面積進行計算，還是重新取樣進行試驗？這些問題在標準中都沒有作出明確的規(guī)定，在實際操作中，容易引起糾紛。

針對以上問題，左富純[16]提出：在進行焊接工藝評定前應(yīng)首先明確是對結(jié)構(gòu)強度進行評價，還是要對材料性能進行評價;如果是前者，可以不去除焊縫余高；否則，必須去除焊縫余高，減小其對測試結(jié)果的干擾與誤判。對于拉伸試驗結(jié)果的評判存在以下幾種情況。

(1) 拉伸試樣去除了焊縫余高，試樣整個平行段的尺寸一致，母材與焊縫的截面尺寸不存在差異。試驗結(jié)束后，若試樣的斷裂位置在焊縫上(也包含斷在熱影響區(qū)的情況)，則其值為接頭的實際抗拉強度；若斷裂位置在母材上，說明焊縫的強度要高于母材的，焊接接頭的安全性能要優(yōu)于母材的。需要強調(diào)的是，無論試樣斷在焊縫還是母材上，試驗人員都需要在報告中對斷裂位置進行標注，便于工程技術(shù)人員準確、合理地對焊接工藝進行評定。

(2) 對于不去除焊縫余高的拉伸試樣，則存在母材與焊縫截面積不一樣的情況：若試樣斷在了母材上，則按照試樣能夠承受的最大載荷除以母材的截面積來計算試驗件的抗拉強度，需要注意的是，試樣雖然斷在了母材上，但焊縫的抗拉應(yīng)力不一定高于母材的，焊縫截面尺寸的加大起到了對局部靜強度補充的作用，只是其能夠抵抗斷裂的載荷高于母材的，而非應(yīng)力高于母材的；而對于斷在焊縫上的試樣，目前的普遍做法是直接判定為不合格。

3.2 彎曲試樣是否去除焊縫余高

彎曲試樣焊縫余高的要求為：GB/T 2650-2008規(guī)定“除非相關(guān)標準和/或協(xié)議另有要求，超出試樣表面的焊縫金屬一般應(yīng)通過機加工方法除去”;NB/T 47014-2011則規(guī)定“試樣的焊縫余高應(yīng)采用機械方法去除，面彎、背彎試樣的拉伸表面應(yīng)加工齊平，試樣受拉伸表面不得有劃痕和損傷”；《中國船級社 材料與焊接規(guī)范》的規(guī)定為“焊縫上下表面應(yīng)銼平、磨光、或機加工至與母材表面齊平”?？梢妿讉€標準均要求對焊縫余高進行去除。需要注意的是，在去除焊縫余高的過程中，可以使用銑床、刨床等機加工手段，但都不應(yīng)該留下橫向刀痕，以免在彎曲試驗過程中成為試樣斷裂的起裂源。

4 缺口開設(shè)位置對熱影響區(qū)沖擊性能的影響

焊接工藝評定中沖擊性能也是一項重要的檢驗指標，由于整個接頭區(qū)域包含了焊縫、熔合線、熱影響區(qū)以及母材幾部分，且各部分之間的材料成分與組織狀態(tài)都有較大的差異，所以沖擊試樣缺口開設(shè)的位置對焊接接頭沖擊吸收能量的測試具有重要的影響。焊接接頭沖擊試樣缺口開設(shè)位置包含焊縫、熔合線、熱影響區(qū)以及母材4個區(qū)域，各個標準中對焊縫、熔合線及母材的規(guī)定較為明確，唯一沒有明確缺口開設(shè)位置的是熱影響區(qū)，常用的幾個標準對熱影響區(qū)缺口開設(shè)位置的描述見表4。

從表4可以看出，常用的幾個標準對熱影響區(qū)缺口位置的描述都過于模糊，僅有《中國船級社 材料與焊接規(guī)范》焊接工藝認可試驗部分對熱影響區(qū)缺口取樣位置進行了具體的規(guī)定，且以上規(guī)定僅僅針對熔化焊與壓焊接頭，對于熱影響區(qū)極小的電子束焊或者激光焊，則沒有標準可以參考。文獻[17]的研究結(jié)果指出，V型缺口底部圓弧中點與焊縫熔合線間的距離在極小的范圍內(nèi)偏移，即可對測得的沖擊吸收能量產(chǎn)生顯著的影響。這是因為熱影響區(qū)沖擊試樣V型缺口有可能跨越了焊縫、熔合線、熱影響區(qū)，甚至是母材，而在沖擊試驗過程中，當沖擊設(shè)備的刀刃與試樣接觸后，試樣開始在V型缺口根部起裂時，起裂的位置通常不會是一條線，而是一個點，由于缺口根部距離熔合線的距離不同，導致起裂點的位置也不盡相同，可能出現(xiàn)在焊縫、熔合線、熱影響區(qū)、母材中的任何一個位置，不同起裂位置的起裂能量并不相同，最后獲得的沖擊吸收能量也就有較大的差異。

表4 不同標準對熱影響區(qū)缺口開設(shè)位置的規(guī)定Tab.4 The regulation of notch positions of heat affected zonein different standards

在實際工程應(yīng)用中，有兩種方法來確定熱影響區(qū)缺口位置：其一，對于高強度鋼材，試樣軸線與熔合線交點向母材一側(cè)偏移2 mm作為缺口位置，對于低強度鋼材，試樣軸線與熔合線交點向母材一側(cè)偏移1 mm作為缺口位置；其二，對于厚鋼板，試樣軸線與熔合線交點向母材一側(cè)偏移2 mm作為缺口位置，對于薄鋼板，試樣軸線與熔合線交點向母材一側(cè)偏移1 mm作為缺口位置。以上這些都是經(jīng)驗做法，實施起來通常都比較粗糙。為了解決這個問題，API SPEC 5L-2007規(guī)定“為確保在適當位置開缺口，開缺口前應(yīng)對試樣進行腐蝕”。建議在大批量的試樣加工中，開缺口前先對試樣進行腐蝕，讓缺口位置盡可能多地通過熱影響區(qū)，這種做法可以成為減少缺口位置偏離、避免對試驗結(jié)果產(chǎn)生異議而引起糾紛的有效措施。需要注意的是，在實際取樣過程中，試樣V型缺口的位置可以固定，然而有的焊縫形狀不太規(guī)則，且熱影響區(qū)各個區(qū)域都比較窄，在取樣上較難把握[18]，即使缺口定義在同一位置，但實際開設(shè)后還是可能會出現(xiàn)差別。

5 結(jié)束語

由于不同標準對焊接接頭性能測試以及焊接工藝評定的技術(shù)要求不盡相同，在進行試驗前，應(yīng)先核實合同或者技術(shù)協(xié)議中參考的試驗標準，按照相關(guān)試驗標準對試驗結(jié)果作出科學合理的評判。當合同或者技術(shù)協(xié)議中未作相關(guān)規(guī)定時，需要供需雙方協(xié)商，采用統(tǒng)一的標準進行試驗，盡量避免出現(xiàn)不必要的分歧與爭議。同時，建議組織相關(guān)專家進行分析論證，探討統(tǒng)一相關(guān)內(nèi)容的可能性與可行性。

[1] GB/T 2650-2008 焊接接頭沖擊試驗方法[S].

[2] GB/T 2651-2008 焊接接頭拉伸試驗方法[S].

[3] GB/T 2652-2008 焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法[S].

[4] GB/T 2653-2008 焊接接頭彎曲試驗方法[S].

[5] NB/T 47014-2011 承壓設(shè)備焊接工藝評定[S].

[6] 中國船級社 材料與焊接規(guī)范[M]. 北京：人民交通出版社，2012.

[7] ASME Section Ⅸ-2013 鍋爐及壓力容器規(guī)范 第Ⅸ卷：焊接和釬接評定[S].

[8] API SPEC 5L-2007 管線鋼管規(guī)范(44版)[S].

[9] 趙洪運，楊德惠，王國棟，等. 400 MPa級超級鋼CO2氣體保護焊不同焊接工藝焊接接頭組織性能[J]. 熱加工工藝，2005(6)： 54-55.

[10] 于燕,王立夫，劉景輝，等. 不同焊接工藝對超級鋼焊接接頭組織性能影響[J]. 熱加工工藝，2005(3)：58-59,61.

[11] 李振團，邢淑清，陸恒昌，等. 不同焊接工藝對厚板S620Q接頭組織及性能的影響[J]. 兵器材料科學與工程，2015，38(4)：30-34.

[12] 徐春華，趙洪運，楊賢群，等. 冷卻條件對超級鋼焊接接頭組織和性能的影響[J]. 理化檢驗-物理分冊，2008，44(7)：342-345，396.

[13] GB/T 228.1-2010 金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法[S].

[14] ISO 4136: 2011 Destructive tests on welds in metallic materials—Transverse tensile test[S].

[15] 王慶田. 焊接接頭橫向拉伸試驗取樣要求的理解與爭議——探討統(tǒng)一相關(guān)標準要求的可能性[J]. 核標準計量與質(zhì)量，2013(4)：42-48.

[16] 左富純. 有關(guān)焊接接頭拉伸試驗問題的討論[C]∥丁建林. 西氣東輸管道與鋼管應(yīng)用基礎(chǔ)及技術(shù)研究論文集. 中國：石油工業(yè)出版社，2004：319-323.

[17] 劉強，上官豐收，仝珂，等. HFW套管焊縫不同缺口位置的韌性研究[J]. 焊管，2010，33(12)：18-22.

[18] 藺衛(wèi)平，李愛萍，王曉燕，等. X70管線鋼焊接接頭熱影響區(qū)的沖擊性能[J]. 理化檢驗-物理分冊，2009,45(5):273-276.

DiscussiononSomeIssuesaboutMechanicalPropertyTestofWeldingJoints

ZHANGXianfeng,YEHongde,GAOLingqing

(Luoyang Ship Material Research Institute, Luoyang 471023, China)

Considering the existing problems that easily lead to divergence or are not clearly defined in standards for welding joints performance test and welding procedure qualification, such as the rationality of yield strength and percentage elongation after fracture obtained from the joint transversal tensile test, the effect of parallel section length of tensile specimens on the test results, whether the weld reinforcement being removed for the tensile/bending specimens, the definition of notch position of impact specimens for heat affected zone (HAZ) and so on, the differences among the relevant standards were described according to own work experience and a large number of literature reviews, and the reasons that caused the different results were analyzed and discussed in theory. In view of the present situation of different standards on the same test items easily leading to significant differences in test results, it is recommended as soon as possible to discuss the possibility and feasibility of reunification of relevant standards.

welding joint; transversal tensile test; parallel section length; weld reinforcement; notch position of heat affected zone

2017-08-29

張先鋒(1988-)，男，工程師，碩士，主要從事材料力學性能測試技術(shù)研究，zhangxianfeng0811@163.com

10.11973/lhjy-wl201712009

TG142.1

A

1001-4012(2017)12-0889-05