焊接接頭彎曲試驗標準現(xiàn)狀及影響因素

宋 北，郭 梟，儲繼君，姜英龍，王 博，曹宇堃

(哈爾濱焊接研究院有限公司，哈爾濱 150028)

0 引言

目前焊接已被廣泛應用于航空航天、船舶、海洋工程、能源石化、交通運載、國防軍工、承壓設備等領域的高端裝備制造，在各領域中發(fā)揮著非常重要的作用[1-8]。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，焊接結構及母材越來越復雜且多樣化，對焊接接頭力學性能和彎曲性能的要求越來越高。彎曲試驗是檢驗焊接接頭性能的工藝性能，即塑性變形的能力，同時還可對無損檢測難以發(fā)現(xiàn)的微小焊接缺陷進行檢查[9]。

我國現(xiàn)行焊接接頭彎曲試驗方法標準為GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》(以下簡稱GB/T 2653)，美國標準為ASTM B4.0:2016《焊縫力學性能標準試驗方法》(以下簡稱ASTM B4.0)，國際標準為ISO 5173:2009《金屬材料焊縫破壞性試驗 彎曲試驗》(以下簡稱ISO 5173)，日本標準為JIS Z 3122:2013《對接接頭彎曲試驗方法》(以下簡稱JIS Z 3122)。不同標準關鍵試驗參數(shù)不盡相同，因而結果會存在一定的差異。本文將系統(tǒng)對比上述國內(nèi)外焊接接頭彎曲試驗相關標準技術細節(jié)差異，分析差異可能導致的影響，詳細論述彎曲性能試驗影響因素及不合格原因，并對進一步改進焊接接頭彎曲試驗方法進行展望。

1 焊接接頭彎曲試驗方法標準現(xiàn)狀

1.1 焊接接頭彎曲試驗方法標準

焊接接頭彎曲試驗方法標準采標情況和適用范圍見表1。

表1 焊接接頭彎曲試驗方法標準對比

ASTM B4.0標準自1942年首次發(fā)布以來，進行了多次修訂；ISO 5173標準于自1981年首次發(fā)布以來，也進行了幾次修訂；JIS Z 3122標準上一版1990版替代標準JIS Z 3124:1984。從表1可以看出，除ASTM B4.0外，其余3項標準均為焊接接頭彎曲試驗專用標準。從適用范圍上看，GB/T 2653，ISO 5173均明確規(guī)定僅適用于熔化焊，JIS Z 3122除熔化焊外，還適用范圍還包括了固相焊、擴散焊等其他工藝方法。

焊接接頭彎曲試驗方法標準試樣尺寸要求對比見表2?？梢钥闯?，GB/T 2653詳細規(guī)定了各種接頭形式的試樣尺寸，而AWS B4.0標準對帶堆焊層對接接頭正彎、側(cè)彎未做規(guī)定，ISO 5173對帶極堆焊對接接頭側(cè)彎未作規(guī)定，JIS Z 3122標準對帶極堆焊正彎、側(cè)彎未作規(guī)定。以對接接頭橫向彎曲試樣為例，對于寬度b，GB/T 2653要求b最小為20 mm，同時b≥1.5ts；ISO 5173，JIS Z 3122均要求b≥4ts，未規(guī)定最小寬度；AWS B4.0要求寬度b統(tǒng)一為38 mm。對于試樣厚度ts，GB/T 2653，ISO 5173，JIS Z 3122要求基本一致，接頭處母材厚度t≤30 mm時，試樣厚度ts=t。此外，ISO 5173，JIS Z 3122還規(guī)定t>10 mm，試樣厚度ts也可加工成(10±0.5) mm；AWS B4.0則要求接頭處母材厚度t≤10 mm時，ts=t，當t>10 mm時，ts=(10±0.40) mm。AWS B4.0中最大的試樣厚度ts=10 mm，而GB/T 2653，ISO 5173，JIS Z 3122最大的試樣厚度ts=30 mm。壓頭直徑與試樣厚度ts比值與彎曲試樣最外側(cè)的延伸率密切相關，對于試驗結果有直接影響。當接頭處母材厚度t在10～30 mm時，對于AWS B4.0，ISO 5173，JIS Z 3122，試樣厚度ts均可選為10 mm，采用一個壓頭便可進行彎曲試樣，對于GB/T 2653，則需根據(jù)試樣厚度選取對應尺寸的壓頭，這需要加工較多的直徑的彎軸。總體來看，AWS B4.0對于彎曲試樣寬度、長度等尺寸的量化要求更為具體，對于試樣尺寸的加工公差要求更為嚴格。

表2 焊接接頭彎曲試驗方法標準試樣尺寸(mm)要求對比

焊接接頭彎曲試驗方法標準試驗條件對比見表3。對于壓頭直徑d，除我國標準未給出具體要求外，其他標準壓頭直徑的確定均依據(jù)斷后伸長率、試樣厚度確定；對于輥筒半徑R，其他標準要求基本約為我國標準要求值的二倍；對于輥筒間距離l，各標準均依據(jù)試樣厚度、壓頭直徑確定；對于彎曲角度α，除AWS標準統(tǒng)一要求180°，其他標準均未做具體要求。關于用于彎曲斷后伸長率計算的原始標距的確定，除AWS標準外，其他標準均針對焊接工藝方法給出了對應的確定公式。

表3 焊接接頭三點彎曲試驗方法標準試驗條件對比

1.2 焊接材料產(chǎn)品彎曲試驗考核要求

1.2.1 美國(AWS)標準

AWS焊接材料產(chǎn)品標準目前共有32項，其中有AWS A5.1/A5.1M:2012 《焊條電弧焊用碳鋼焊條》、AWS A5.6/A5.6M:2008《焊條電弧焊用銅和銅合金焊條》、AWS A5.11/A5.11M:2018《焊條電弧焊用鎳和鎳合金焊條》、AWS A5.18/A5.18M:2021《氣體保護焊用碳鋼焊絲和填充絲》、AWS A5.20/A5.20M:2021《電弧焊用碳鋼藥芯焊絲》、AWS A5.22/A5.22M:2012《不銹鋼藥芯和金屬芯焊絲和焊條》、AWS A5.34/A5.34M:2018《電弧焊用鎳合金藥芯焊絲》、AWS A5.36/A5.36M:2016《藥芯電弧焊用碳鋼和低合金鋼藥芯焊絲及熔化極氣體保護電弧焊用金屬芯焊絲》、AWS A5.39/A5.39M:2020《埋弧焊和電渣焊用不銹鋼和鎳合金焊絲焊劑組合》9項規(guī)定了彎曲試驗的考核指標，見表4?？梢钥闯觯瑢澢阅苡锌己艘蟮闹饕杏诤笚l、藥芯焊絲、焊劑等有礦物粉參與冶金反應的產(chǎn)品類型，相比較而言，鎳基合金焊條的考核更為嚴格，除對最大裂紋長度有規(guī)定外，還對裂紋數(shù)量提出了要求，可能與該類焊條易產(chǎn)生熱裂紋有關。

表4 AWS焊接材料產(chǎn)品標準彎曲性能考核要求對比

1.2.2 日本(JIS)標準

JIS焊接材料產(chǎn)品標準目前共有39項，其中有JIS Z 3201:2001《鎢極惰性氣體保護電弧焊用非合金鋼及細晶粒鋼實心焊絲》、JIS Z 3231:1999 AMD 1—2007《銅及銅合金焊條》、JIS Z 3232:2009《鋁及鋁合金焊條及焊絲》、JIS Z 3225:1999 AMD 1—2007《9%鎳鋼用焊條》、JIS Z 3332:1999 AMD 1—2007《9%鎳鋼TIG焊用焊條和實心焊絲》、JIS Z 3333:1999 AMD 1—2007《9%鎳鋼埋弧焊絲及焊劑》6項規(guī)定了彎曲試驗的考核指標，且均規(guī)定彎曲后的試樣外表面在任何方向上不應出現(xiàn)大于3 mm的裂紋等缺陷。

1.2.3 中國(GB)標準

我國焊接材料產(chǎn)品標準我國焊接材料產(chǎn)品標準是按照ISO標準體系轉(zhuǎn)化的，未對彎曲試驗考核指標進行規(guī)定。

行業(yè)標準NB/T 47018(NB/T 47018.2～5—2017，NB/T 47018.6～7—2011)《承壓設備用焊接材料訂貨技術條件》中，對彎曲試驗有相應要求。第2，3，4，7部分要求1個正彎和1個背彎試樣，第5部分要求2個側(cè)彎試樣，第6部分要求焊絲熔敷金屬試件1個正彎和1個背彎試樣，填充絲平板堆敷焊道試件2個正彎試樣。彎曲試驗的考核指標均為彎曲角度180°，試樣任何方向不應出現(xiàn)大于3 mm的開裂。

1.3 我國焊接工藝評定彎曲試驗考核要求

我國焊接工藝評定標準中對于不同材料和工藝的彎曲試驗方法、試驗數(shù)量對彎曲試驗考核指標進行對比分析見表5。可以看出，表中所列出的焊接工藝評定標準彎曲試驗的考核指標均為彎曲角度180°，試樣任何方向不應出現(xiàn)大于3 mm的開裂。

表5 我國焊接工藝評定標準彎曲試驗考核要求對比

在標準中斷后伸長率小于20%時，壓頭直徑為(100×ts)/A-ts；而在NB/T 47018標準第2，3，4部分要求，壓頭直徑為10×(200-A)/2A。相比之下，國家標準要求更嚴且合理。

2 彎曲試驗影響因素分析與研究

2.1 彎曲性能評價指標

王慶田等[10]認為彎曲試驗并不是一種力學性能試驗，而是一種工藝性能試驗，這主要是由于無論試驗方法中彎曲角度、壓頭直徑與試樣厚度比值，還是彎曲后的裂紋長度與數(shù)量等彎曲試驗的結果均不具有明確的力學物理意義。不過，在實際工程中，焊接接頭彎曲試驗一方面用于檢驗接頭的塑性、彎曲變形協(xié)調(diào)能力，另一方面也用于對無損檢測無法發(fā)現(xiàn)的微小缺陷進行檢查。目前，焊接接頭彎曲性能的評價指標主要包括壓頭直徑與試樣厚度比值n、彎曲角度、裂紋尺寸及數(shù)量等。

葉棟林等[11]指出焊接接頭的彎曲試驗除了能夠檢驗接頭的塑性、彎曲變形能力外，檢查有無超限的缺陷存在也是重要目標之一。針對n與冷彎角α開展研究，結果表明試件厚度、寬度對最大冷彎斷后伸長率δmax均無顯著影響。隨著n減小，δmax會增加，二者關系近似于δmax=1/n+1×100(%)。對于變形最大的I區(qū)，α在一定范圍內(nèi)，δ隨著α的增加而增大，α增加到一定值后，δ不再增加，保持為定值δmax。此時達到的臨界冷彎角稱為臨界冷彎角α臨。α臨一般在70°～90°之間，大小似乎與n有關，當n小時α臨大。在焊接接頭的縱向冷彎試驗中，影響冷彎檢驗嚴格程度的參數(shù)是n，而不是α。徐桂蘭等[12]對于不銹鋼薄板焊接接頭的研究同樣表明，在彎曲角度α小于100°時，各區(qū)域變形隨著α的增大而增加；當α從100°增加至180°時，彎曲試樣中心區(qū)相對斷后伸長率幾乎不再增加，表明臨界冷彎角α臨約為100°。殷鴻[13]對16Mn,15MnV等多種鋼焊接接頭的研究結果也支持該觀點。由此得出：當α<α臨時，n,α是決定冷彎試驗程度的主要參數(shù)；當α≥α臨時，n是決定彎曲試驗程度的主要參數(shù)。

PETLEY等[14]研究了三點彎曲對鈦合金TIG焊接接頭的影響，提出了基于壓頭深度、彎曲角度、虛擬壓頭直徑的彎曲性能評價指標，用于評估臨界開裂條件。

2.2 彎曲性能不合格原因分析

陳裕川[15]指出焊接接頭工藝評定彎曲試驗不合格的主要原因包括宏觀焊接缺陷(小氣孔、點狀夾渣等)、顯微焊接缺陷(微裂紋、脆性相等)、母材焊縫變形不協(xié)調(diào)、焊縫或HAZ脆化等。李連波等[16]的研究表明9%Ni鋼焊條電弧焊焊接接頭彎曲不合格的原因主要為氧化物、硫化物及碳化物等形成的宏觀夾渣焊接缺陷。閔曉峰等[17]指出CCS 焊工取證考試試件進行彎曲試驗時，絕大多數(shù)9%Ni鋼焊接接頭進行橫向彎曲都會出現(xiàn)裂紋，裂紋大都出現(xiàn)在熱影響區(qū)，焊縫中的裂紋主要是由微熱裂紋引起的。然而，實踐表明9%Ni鋼焊接接頭側(cè)彎不合格主要原因為母材與焊縫金屬屈服強度差距太大，彎曲試驗時載荷基本集中在焊縫上，難以使熱影響區(qū)產(chǎn)生屈服，而造成側(cè)彎不合格。吳平等[18]認為焊接線能量過大是Q345R鋼板焊接接頭側(cè)彎不合格的原因。MANIMOZHI等[19]研究表明對于SS 409M鐵素體不銹鋼手工電弧焊焊接接頭，采用常規(guī)E308L焊條時，會由于HAZ鐵素體晶粒粗大和稀釋引起的馬氏體的存在導致彎曲性能不合格。對于異種鋼接頭，在制定焊接工藝與焊材選型時，需綜合考慮稀釋率、組織演變、元素擴散與偏析等因素，以避免彎曲性能不合格。

2.3 彎曲試驗影響因素分析

蘇世杰等[17]的研究表明，利用有限元法建立了三點彎曲焊接接頭最小彎曲直徑計算公式：

(1)

結果見圖1[20]和圖2。當彎曲直徑較小時，采用三點彎曲方法焊接接頭中會產(chǎn)生明顯的斷后伸長率峰值；D/t<4.5時，三點彎曲斷后伸長率峰值曲線明顯高于輥筒彎曲斷后伸長率峰值曲線，且與曲線相差較大。說明在小彎曲半徑條件下，三點彎曲法會造成焊接接頭內(nèi)部的應力集中，其彎曲性能無法被準確評估。

圖1 ZG200-400試樣三點彎曲斷后伸長率分布

圖2 δmax-D/t關系曲線

劉吉濤[21]對異種材質(zhì)焊接接頭三點彎曲進行了有限元分析，焊接接頭處出現(xiàn)滑移和折彎現(xiàn)象。另外，對夾持試樣不同端部，且動輥到試樣的距離x值大小不同的情況做了多組輥筒彎曲有限元模擬，結果表明，夾軟質(zhì)材料試樣輥筒彎曲能有效評估焊接接頭彎曲性能，三點彎曲和夾硬質(zhì)材料輥筒彎曲焊接接頭會出現(xiàn)凸起和滑移現(xiàn)象。

焊接接頭在三點彎曲試驗時存在彎剪耦合效應[22]，焊接接頭隨著彎曲角度的增加，靠近上下兩表面部分的應變量最大[23-25]。

IVANA等[26]研究材料屈強比、試樣尺寸等因素對ASTM 355級別無縫管三點彎曲的影響，結果表明屈強比、試驗速度、表面粗糙度對彎曲試驗均有影響。

陳愛志等[27]采用不同壓頭直徑測定了屈服強度為590 MPa級10CrNi3MoV鋼焊接接頭彎曲試驗后不同部位的斷后伸長率，美國MIL標準對于艦船用焊接材料對接接頭彎曲試驗的要求，是依據(jù)AWS B4.0上的列線圖3A-4(見圖3[27])來選擇壓頭半徑的。

圖3 選擇最小壓頭直徑的列線圖

3 結論

(1)中國、國際、日本、美國標準針對焊接接頭彎曲試驗方法、焊接材料驗收、焊接工藝評定等的規(guī)定與要求存在顯著差異，這主要與各標準體系對于彎曲試驗的認識、理解、目的存在差異有關。鑒于現(xiàn)狀，彎曲試驗結果的評價應結合試驗方法、試樣狀態(tài)等多方面因素進行具體分析。

(2)焊接接頭彎曲性能不合格主要與焊接缺陷、塑性不足、變形不協(xié)調(diào)等因素有關。彎曲試驗不僅可以用于評價接頭變形能力，而且在檢測微小缺陷方面發(fā)揮著重要作用，是力學性能試驗、無損檢測的重要補充，是一種十分有效、不可缺失的焊接接頭破壞性試驗手段。

(3)針對彎曲試驗方法與考核指標確定，焊接行業(yè)應緊緊圍繞工程需求，立足于彎曲試驗原理與目的，通過開展基礎研究與試驗驗證等相關工作，為工程質(zhì)量提升提供支撐與保障。