試驗(yàn)溫度對(duì)金屬材料焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果的影響

金靜靜

(1.上海材料研究所, 上海 200437; 2.上海市工程材料應(yīng)用與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200437)

焊接是現(xiàn)代工業(yè)不可或缺、應(yīng)用最廣泛的連接技術(shù)，作為制造流程后期的組裝工序之一，其對(duì)產(chǎn)品的最終質(zhì)量具有決定性影響。拉伸試驗(yàn)是評(píng)價(jià)金屬材料焊接接頭焊縫力學(xué)性能最有效的一種試驗(yàn)方法，試驗(yàn)中彈性變形、塑性變形、斷裂等各階段真實(shí)反映了材料抵抗外力作用的全過程，再加上簡(jiǎn)單易行、試樣制備方便等特點(diǎn)，使得拉伸試驗(yàn)在焊接設(shè)計(jì)和選材、新材料研制、焊接工藝評(píng)定、失效分析等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。

由于焊接件中焊縫金屬、熱影響區(qū)和母材等各處的應(yīng)力相差很大，因此ISO 6892-1MetallicMaterials—TensileTesting—Part1:MethodofTestatRoomTemperature,GB/T 228.1《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》等傳統(tǒng)的金屬材料拉伸試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)不適用于焊接件[4-6]。因此，國(guó)標(biāo)委發(fā)布了專門的焊接接頭相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)焊接樣品取樣方向和部位、試樣制備、檢測(cè)位置和檢測(cè)步驟等內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，將其作為ISO 6892-1：2016,GB/T 228.1—2010等金屬材料拉伸試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充。目前國(guó)內(nèi)外焊接接頭拉伸試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)室溫試驗(yàn)溫度的規(guī)定并不一致。為此，筆者對(duì)比了國(guó)內(nèi)外焊接接頭拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)室溫拉伸試驗(yàn)溫度的要求，選取Q355B鋼焊接接頭在不同溫度下進(jìn)行了橫向拉伸試驗(yàn)，分析溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，并提出了對(duì)我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的修訂建議。

1 國(guó)內(nèi)外焊接接頭拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中室溫試驗(yàn)溫度的要求

1.1 國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中涉及焊接接頭拉伸試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)主要有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、日本標(biāo)準(zhǔn)、歐盟標(biāo)準(zhǔn)等，由于ISO與歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(CEN)達(dá)成的《維也納協(xié)議》中“盡一切可能確保國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)的相等”原則的實(shí)施，目前歐盟(EN)和ISO焊接接頭試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)已高度等同。因此，筆者主要分析目前應(yīng)用較多的ISO、美國(guó)焊接協(xié)會(huì)(AWS)和日本的焊接接頭拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)室溫試驗(yàn)溫度要求的區(qū)別，見表1。作為對(duì)比，表1也給出了對(duì)應(yīng)的金屬材料拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于室溫試驗(yàn)溫度的規(guī)定。

表1 國(guó)外焊接接頭拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)試驗(yàn)溫度的要求Tab.1 Test temperature requirements of tensile test standards for welded joints in foreign

1.2 我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

表2給出了我國(guó)現(xiàn)行焊接接頭拉伸試驗(yàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、金屬材料拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)焊接規(guī)范和工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)溫度的規(guī)定。

表2 中國(guó)焊接接頭拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)試驗(yàn)溫度的要求Tab.2 Test temperature requirements of tensile test standards for welded joints in domestic

1.3 試驗(yàn)溫度要求分析

由表1和表2可知，國(guó)內(nèi)外焊接接頭拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)室溫試驗(yàn)溫度的要求主要有3種。

(1) 試驗(yàn)應(yīng)在室溫(23±5) ℃條件下進(jìn)行。該要求最為嚴(yán)格，需要專門的溫度控制設(shè)備來確保試驗(yàn)溫度為(23±5) ℃。采用該要求的標(biāo)準(zhǔn)主要有ISO 4136:2011，GB/T 2651—2008，GB/T 2652—2008和按照GB/T 2651—2008進(jìn)行試驗(yàn)的GB 50661—2011等。

(2) 試驗(yàn)應(yīng)在室溫10～38 ℃(50～100 ℉)條件下進(jìn)行。該要求相對(duì)寬松，多數(shù)情況下無需溫度控制設(shè)備即可滿足要求。采用該要求的標(biāo)準(zhǔn)主要有ASTM E8/E8M—16a和按照ASTM E8進(jìn)行試驗(yàn)的AWS B4.0:2016?？紤]到華氏度與攝氏度的換算，可認(rèn)為其與其他標(biāo)準(zhǔn)中室溫10～35 ℃的要求是等效的。

(3) 試驗(yàn)一般在室溫10～35 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行，在控制條件下進(jìn)行的試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度應(yīng)為(23±5) ℃。該要求介于上述兩者之間，也較為寬松，多數(shù)情況下無需溫度控制設(shè)備即可滿足要求。采用該要求的標(biāo)準(zhǔn)主要有ISO 6892-1: 2016，GB/T 228.1—2010、采用GB/T 228.1進(jìn)行試驗(yàn)的NB/T 47014—2011和SY/T 0452—2012，JIS Z 3121: 2013和JIS Z 2241—2011等。

2 試驗(yàn)和結(jié)果

為了分析和驗(yàn)證試驗(yàn)溫度對(duì)金屬材料焊接接頭室溫拉伸性能的影響，筆者于3家試驗(yàn)室，分別在10，23，35 ℃條件下進(jìn)行了金屬材料焊接接頭采用橫向拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)用焊接試板母材為Q355B鋼，直徑為1.2 mm的ER50C6焊絲，焊接方式為二氧化碳?xì)怏w(純度100%)保護(hù)焊。按照GB/T 2651—2008要求制備焊接接頭拉伸試樣，考慮到需使用恒溫環(huán)境箱精確控制試驗(yàn)溫度，為便于裝夾，拉伸試樣選取圓棒狀，具體尺寸如圖1所示，試驗(yàn)結(jié)果見表3。試驗(yàn)溫度為10 ℃時(shí)，其抗拉強(qiáng)度為558 MPa；試驗(yàn)溫度為23 ℃時(shí)，其抗拉強(qiáng)度為549 MPa；試驗(yàn)溫度為35 ℃時(shí)，其抗拉強(qiáng)度為543 MPa。

圖1 Q355B鋼焊接接頭拉伸試樣尺寸示意圖Fig.1 Dimension diagram of tensile sample of Q355B steel welded joint

表3 不同溫度下Q355B鋼焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Tensile test results of Q355B steel welded joints at different temperatures

3 分析與討論

為了便于分析，筆者查閱了相關(guān)金屬材料拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)試驗(yàn)室間比對(duì)結(jié)果給出的抗拉強(qiáng)度精密度數(shù)據(jù)，見表4。

表4 抗拉強(qiáng)度精密度Tab.4 Accuracy of the tensile strength

結(jié)合表3和表4分析如下。

(1) 同溫度下試驗(yàn)室內(nèi)Q355B鋼焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性較好，試驗(yàn)結(jié)果最大差值僅為5 MPa，相對(duì)值之差為0.9%，小于表4給出的相對(duì)重復(fù)性限1.9%。

(2) 同溫度下不同試驗(yàn)室間拉伸強(qiáng)度平均值最大相差22.5 MPa，相對(duì)值之差為4%，介于表4給出的S355鋼相對(duì)再現(xiàn)性限2.4%和ASTM A05相對(duì)再現(xiàn)性限4.1%之間?？紤]到ISO 6892-1:2016和ASTM E8/E8M—16a均為金屬材料拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中的再現(xiàn)性數(shù)據(jù)是使用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(標(biāo)準(zhǔn)樣品)獲得的，其樣品均勻性遠(yuǎn)高于該次試驗(yàn)樣品均勻性，因此可認(rèn)為該次試驗(yàn)得到的試驗(yàn)室間拉伸試驗(yàn)結(jié)果之差與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的再現(xiàn)性限相當(dāng)。

(3) 10 ℃和35 ℃試驗(yàn)溫度下抗拉強(qiáng)度平均值之差為15 MPa，相對(duì)值之差為2.7%，這一結(jié)果大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相對(duì)重復(fù)性限，小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相對(duì)再現(xiàn)性限，說明10～35 ℃條件下焊接接頭抗拉強(qiáng)度隨溫度的升高而降低，但降低并不顯著，要求不高時(shí)可忽略。結(jié)合試驗(yàn)成本、效率和準(zhǔn)確度方面綜合考量，焊接接頭室溫拉伸試驗(yàn)溫度規(guī)定為“除非另有規(guī)定，室溫試驗(yàn)應(yīng)在10～35 ℃條件下進(jìn)行；對(duì)于溫度要求嚴(yán)格的試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度應(yīng)為(23±5) ℃”較為合理。

表5給出了ISO 5178DestructiveTestsonWeldsinMetallicMaterials-LongitudinalTensileTestonWeldMetalinFusionWeldedJoints的兩個(gè)版本關(guān)于試驗(yàn)溫度規(guī)定的變化，現(xiàn)行版本ISO 5178:2019關(guān)于試驗(yàn)溫度的規(guī)定已與ISO 6892-1:2016一致，這也說明根據(jù)試驗(yàn)需要分別規(guī)定焊接接頭拉伸試驗(yàn)溫度較為合理。

表5 不同版本ISO 5178對(duì)試驗(yàn)溫度的要求Tab.5 Test temperature requirements in different editions of ISO 5178

4 結(jié)論

(1) 10 ℃和35 ℃試驗(yàn)溫度下Q355B鋼焊接接頭抗拉強(qiáng)度平均值之差為15 MPa，相對(duì)值之差為2.7%，小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相對(duì)再現(xiàn)性限。10～35 ℃條件下Q355B鋼焊接接頭抗拉強(qiáng)度隨溫度的變化在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，試驗(yàn)要求不高時(shí)可忽略。

(2) 從試驗(yàn)成本、效率和準(zhǔn)確度方面綜合考量，金屬材料焊接接頭拉伸試驗(yàn)溫度規(guī)定為“除非另有規(guī)定，室溫試驗(yàn)應(yīng)在10～35 ℃條件下進(jìn)行，對(duì)于溫度要求嚴(yán)格的試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度應(yīng)為(23±5) ℃”較為合理，建議修訂GB/T 2651—2008時(shí)予以考慮。