金靜靜

(1.上海材料研究所, 上海 200437; 2.上海市工程材料應用與評價重點實驗室, 上海 200437)

焊接是現代工業(yè)不可或缺、應用最廣泛的連接技術，作為制造流程后期的組裝工序之一，其對產品的最終質量具有決定性影響。拉伸試驗是評價金屬材料焊接接頭焊縫力學性能最有效的一種試驗方法，試驗中彈性變形、塑性變形、斷裂等各階段真實反映了材料抵抗外力作用的全過程，再加上簡單易行、試樣制備方便等特點，使得拉伸試驗在焊接設計和選材、新材料研制、焊接工藝評定、失效分析等領域中得到廣泛應用[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 第1部分：室溫試驗方法》等傳統(tǒng)的金屬材料拉伸試驗方法標準不適用于焊接件[4-6]。因此，國標委發(fā)布了專門的焊接接頭相關試驗標準，對焊接樣品取樣方向和部位、試樣制備、檢測位置和檢測步驟等內容進行了詳細的規(guī)定，將其作為ISO 6892-1：2016,GB/T 228.1—2010等金屬材料拉伸試驗方法標準的補充。目前國內外焊接接頭拉伸試驗的標準中對室溫試驗溫度的規(guī)定并不一致。為此，筆者對比了國內外焊接接頭拉伸試驗標準中對室溫拉伸試驗溫度的要求，選取Q355B鋼焊接接頭在不同溫度下進行了橫向拉伸試驗，分析溫度對試驗結果的影響，并提出了對我國相關標準的修訂建議。

1 國內外焊接接頭拉伸試驗標準中室溫試驗溫度的要求

1.1 國外相關標準

國外標準中涉及焊接接頭拉伸試驗的標準主要有國際標準化組織(ISO)標準、美國標準、日本標準、歐盟標準等，由于ISO與歐洲標準化委員會(CEN)達成的《維也納協議》中“盡一切可能確保國際標準和歐洲標準的相等”原則的實施，目前歐盟(EN)和ISO焊接接頭試驗標準已高度等同。因此，筆者主要分析目前應用較多的ISO、美國焊接協會(AWS)和日本的焊接接頭拉伸試驗標準中對室溫試驗溫度要求的區(qū)別，見表1。作為對比，表1也給出了對應的金屬材料拉伸試驗標準中關于室溫試驗溫度的規(guī)定。

表1 國外焊接接頭拉伸試驗標準中對試驗溫度的要求Tab.1 Test temperature requirements of tensile test standards for welded joints in foreign

1.2 我國相關標準

表2給出了我國現行焊接接頭拉伸試驗國家標準、金屬材料拉伸試驗標準以及相關焊接規(guī)范和工藝評定標準對試驗溫度的規(guī)定。

表2 中國焊接接頭拉伸試驗標準中對試驗溫度的要求Tab.2 Test temperature requirements of tensile test standards for welded joints in domestic

1.3 試驗溫度要求分析

由表1和表2可知，國內外焊接接頭拉伸試驗標準中對室溫試驗溫度的要求主要有3種。

(1) 試驗應在室溫(23±5) ℃條件下進行。該要求最為嚴格，需要專門的溫度控制設備來確保試驗溫度為(23±5) ℃。采用該要求的標準主要有ISO 4136:2011，GB/T 2651—2008，GB/T 2652—2008和按照GB/T 2651—2008進行試驗的GB 50661—2011等。

(2) 試驗應在室溫10～38 ℃(50～100 ℉)條件下進行。該要求相對寬松，多數情況下無需溫度控制設備即可滿足要求。采用該要求的標準主要有ASTM E8/E8M—16a和按照ASTM E8進行試驗的AWS B4.0:2016?？紤]到華氏度與攝氏度的換算，可認為其與其他標準中室溫10～35 ℃的要求是等效的。

(3) 試驗一般在室溫10～35 ℃范圍內進行，在控制條件下進行的試驗，試驗溫度應為(23±5) ℃。該要求介于上述兩者之間，也較為寬松，多數情況下無需溫度控制設備即可滿足要求。采用該要求的標準主要有ISO 6892-1: 2016，GB/T 228.1—2010、采用GB/T 228.1進行試驗的NB/T 47014—2011和SY/T 0452—2012，JIS Z 3121: 2013和JIS Z 2241—2011等。

2 試驗和結果

為了分析和驗證試驗溫度對金屬材料焊接接頭室溫拉伸性能的影響，筆者于3家試驗室，分別在10，23，35 ℃條件下進行了金屬材料焊接接頭采用橫向拉伸試驗。試驗用焊接試板母材為Q355B鋼，直徑為1.2 mm的ER50C6焊絲，焊接方式為二氧化碳氣體(純度100%)保護焊。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，試驗結果見表3。試驗溫度為10 ℃時，其抗拉強度為558 MPa；試驗溫度為23 ℃時，其抗拉強度為549 MPa；試驗溫度為35 ℃時，其抗拉強度為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結果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，筆者查閱了相關金屬材料拉伸試驗標準中根據試驗室間比對結果給出的抗拉強度精密度數據，見表4。

表4 抗拉強度精密度Tab.4 Accuracy of the tensile strength

結合表3和表4分析如下。

(1) 同溫度下試驗室內Q355B鋼焊接接頭拉伸試驗結果的重復性較好，試驗結果最大差值僅為5 MPa，相對值之差為0.9%，小于表4給出的相對重復性限1.9%。

(2) 同溫度下不同試驗室間拉伸強度平均值最大相差22.5 MPa，相對值之差為4%，介于表4給出的S355鋼相對再現性限2.4%和ASTM A05相對再現性限4.1%之間。考慮到ISO 6892-1:2016和ASTM E8/E8M—16a均為金屬材料拉伸試驗標準，標準中的再現性數據是使用標準物質(標準樣品)獲得的，其樣品均勻性遠高于該次試驗樣品均勻性，因此可認為該次試驗得到的試驗室間拉伸試驗結果之差與標準規(guī)定的再現性限相當。

(3) 10 ℃和35 ℃試驗溫度下抗拉強度平均值之差為15 MPa，相對值之差為2.7%，這一結果大于標準規(guī)定的相對重復性限，小于標準規(guī)定的相對再現性限，說明10～35 ℃條件下焊接接頭抗拉強度隨溫度的升高而降低，但降低并不顯著，要求不高時可忽略。結合試驗成本、效率和準確度方面綜合考量，焊接接頭室溫拉伸試驗溫度規(guī)定為“除非另有規(guī)定，室溫試驗應在10～35 ℃條件下進行；對于溫度要求嚴格的試驗，試驗溫度應為(23±5) ℃”較為合理。

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

表5 不同版本ISO 5178對試驗溫度的要求Tab.5 Test temperature requirements in different editions of ISO 5178

4 結論

(1) 10 ℃和35 ℃試驗溫度下Q355B鋼焊接接頭抗拉強度平均值之差為15 MPa，相對值之差為2.7%，小于標準規(guī)定的相對再現性限。10～35 ℃條件下Q355B鋼焊接接頭抗拉強度隨溫度的變化在標準要求范圍內，試驗要求不高時可忽略。

(2) 從試驗成本、效率和準確度方面綜合考量，金屬材料焊接接頭拉伸試驗溫度規(guī)定為“除非另有規(guī)定，室溫試驗應在10～35 ℃條件下進行，對于溫度要求嚴格的試驗，試驗溫度應為(23±5) ℃”較為合理，建議修訂GB/T 2651—2008時予以考慮。