宋 北，郭 梟，儲(chǔ)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(yīng)用于航空航天、船舶、海洋工程、能源石化、交通運(yùn)載、國(guó)防軍工、承壓設(shè)備等領(lǐng)域的高端裝備制造，在各領(lǐng)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(jié)構(gòu)及母材越來越復(fù)雜且多樣化，對(duì)焊接接頭力學(xué)性能和彎曲性能的要求越來越高。彎曲試驗(yàn)是檢驗(yàn)焊接接頭性能的工藝性能，即塑性變形的能力，同時(shí)還可對(duì)無損檢測(cè)難以發(fā)現(xiàn)的微小焊接缺陷進(jìn)行檢查[9]。

我國(guó)現(xiàn)行焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》(以下簡(jiǎn)稱GB/T 2653)，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為ASTM B4.0:2016《焊縫力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》(以下簡(jiǎn)稱ASTM B4.0)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為ISO 5173:2009《金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn) 彎曲試驗(yàn)》(以下簡(jiǎn)稱ISO 5173)，日本標(biāo)準(zhǔn)為JIS Z 3122:2013《對(duì)接接頭彎曲試驗(yàn)方法》(以下簡(jiǎn)稱JIS Z 3122)。不同標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵試驗(yàn)參數(shù)不盡相同，因而結(jié)果會(huì)存在一定的差異。本文將系統(tǒng)對(duì)比上述國(guó)內(nèi)外焊接接頭彎曲試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)細(xì)節(jié)差異，分析差異可能導(dǎo)致的影響，詳細(xì)論述彎曲性能試驗(yàn)影響因素及不合格原因，并對(duì)進(jìn)一步改進(jìn)焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法進(jìn)行展望。

1 焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

1.1 焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)

焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)采標(biāo)情況和適用范圍見表1。

表1 焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

ASTM B4.0標(biāo)準(zhǔn)自1942年首次發(fā)布以來，進(jìn)行了多次修訂；ISO 5173標(biāo)準(zhǔn)于自1981年首次發(fā)布以來，也進(jìn)行了幾次修訂；JIS Z 3122標(biāo)準(zhǔn)上一版1990版替代標(biāo)準(zhǔn)JIS Z 3124:1984。從表1可以看出，除ASTM B4.0外，其余3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)均為焊接接頭彎曲試驗(yàn)專用標(biāo)準(zhǔn)。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(kuò)散焊等其他工藝方法。

焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸要求對(duì)比見表2?？梢钥闯?，GB/T 2653詳細(xì)規(guī)定了各種接頭形式的試樣尺寸，而AWS B4.0標(biāo)準(zhǔn)對(duì)帶堆焊層對(duì)接接頭正彎、側(cè)彎未做規(guī)定，ISO 5173對(duì)帶極堆焊對(duì)接接頭側(cè)彎未作規(guī)定，JIS Z 3122標(biāo)準(zhǔn)對(duì)帶極堆焊正彎、側(cè)彎未作規(guī)定。以對(duì)接接頭橫向彎曲試樣為例，對(duì)于寬度b，GB/T 2653要求b最小為20 mm，同時(shí)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(duì)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(shí)，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(shí)，ts=t，當(dāng)t>10 mm時(shí)，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(guān)，對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果有直接影響。當(dāng)接頭處母材厚度t在10～30 mm時(shí)，對(duì)于AWS B4.0，ISO 5173，JIS Z 3122，試樣厚度ts均可選為10 mm，采用一個(gè)壓頭便可進(jìn)行彎曲試樣，對(duì)于GB/T 2653，則需根據(jù)試樣厚度選取對(duì)應(yīng)尺寸的壓頭，這需要加工較多的直徑的彎軸?？傮w來看，AWS B4.0對(duì)于彎曲試樣寬度、長(zhǎng)度等尺寸的量化要求更為具體，對(duì)于試樣尺寸的加工公差要求更為嚴(yán)格。

表2 焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸(mm)要求對(duì)比

焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件對(duì)比見表3。對(duì)于壓頭直徑d，除我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)未給出具體要求外，其他標(biāo)準(zhǔn)壓頭直徑的確定均依據(jù)斷后伸長(zhǎng)率、試樣厚度確定；對(duì)于輥筒半徑R，其他標(biāo)準(zhǔn)要求基本約為我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)要求值的二倍；對(duì)于輥筒間距離l，各標(biāo)準(zhǔn)均依據(jù)試樣厚度、壓頭直徑確定；對(duì)于彎曲角度α，除AWS標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一要求180°，其他標(biāo)準(zhǔn)均未做具體要求。關(guān)于用于彎曲斷后伸長(zhǎng)率計(jì)算的原始標(biāo)距的確定，除AWS標(biāo)準(zhǔn)外，其他標(biāo)準(zhǔn)均針對(duì)焊接工藝方法給出了對(duì)應(yīng)的確定公式。

表3 焊接接頭三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件對(duì)比

1.2 焊接材料產(chǎn)品彎曲試驗(yàn)考核要求

1.2.1 美國(guó)(AWS)標(biāo)準(zhǔn)

AWS焊接材料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)目前共有32項(xiàng)，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(hù)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(hù)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(xiàng)規(guī)定了彎曲試驗(yàn)的考核指標(biāo)，見表4?？梢钥闯?，對(duì)彎曲性能有考核要求的主要集中于焊條、藥芯焊絲、焊劑等有礦物粉參與冶金反應(yīng)的產(chǎn)品類型，相比較而言，鎳基合金焊條的考核更為嚴(yán)格，除對(duì)最大裂紋長(zhǎng)度有規(guī)定外，還對(duì)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(guān)。

表4 AWS焊接材料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)彎曲性能考核要求對(duì)比

1.2.2 日本(JIS)標(biāo)準(zhǔn)

JIS焊接材料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)目前共有39項(xiàng)，其中有JIS Z 3201:2001《鎢極惰性氣體保護(hù)電弧焊用非合金鋼及細(xì)晶粒鋼實(shí)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(shí)心焊絲》、JIS Z 3333:1999 AMD 1—2007《9%鎳鋼埋弧焊絲及焊劑》6項(xiàng)規(guī)定了彎曲試驗(yàn)的考核指標(biāo)，且均規(guī)定彎曲后的試樣外表面在任何方向上不應(yīng)出現(xiàn)大于3 mm的裂紋等缺陷。

1.2.3 中國(guó)(GB)標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)焊接材料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)我國(guó)焊接材料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)是按照ISO標(biāo)準(zhǔn)體系轉(zhuǎn)化的，未對(duì)彎曲試驗(yàn)考核指標(biāo)進(jìn)行規(guī)定。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47018(NB/T 47018.2～5—2017，NB/T 47018.6～7—2011)《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件》中，對(duì)彎曲試驗(yàn)有相應(yīng)要求。第2，3，4，7部分要求1個(gè)正彎和1個(gè)背彎試樣，第5部分要求2個(gè)側(cè)彎試樣，第6部分要求焊絲熔敷金屬試件1個(gè)正彎和1個(gè)背彎試樣，填充絲平板堆敷焊道試件2個(gè)正彎試樣。彎曲試驗(yàn)的考核指標(biāo)均為彎曲角度180°，試樣任何方向不應(yīng)出現(xiàn)大于3 mm的開裂。

1.3 我國(guó)焊接工藝評(píng)定彎曲試驗(yàn)考核要求

我國(guó)焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于不同材料和工藝的彎曲試驗(yàn)方法、試驗(yàn)數(shù)量對(duì)彎曲試驗(yàn)考核指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析見表5。可以看出，表中所列出的焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)彎曲試驗(yàn)的考核指標(biāo)均為彎曲角度180°，試樣任何方向不應(yīng)出現(xiàn)大于3 mm的開裂。

表5 我國(guó)焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)彎曲試驗(yàn)考核要求對(duì)比

在標(biāo)準(zhǔn)中斷后伸長(zhǎng)率小于20%時(shí)，壓頭直徑為(100×ts)/A-ts；而在NB/T 47018標(biāo)準(zhǔn)第2，3，4部分要求，壓頭直徑為10×(200-A)/2A。相比之下，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求更嚴(yán)且合理。

2 彎曲試驗(yàn)影響因素分析與研究

2.1 彎曲性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

王慶田等[10]認(rèn)為彎曲試驗(yàn)并不是一種力學(xué)性能試驗(yàn)，而是一種工藝性能試驗(yàn)，這主要是由于無論試驗(yàn)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(zhǎng)度與數(shù)量等彎曲試驗(yàn)的結(jié)果均不具有明確的力學(xué)物理意義。不過，在實(shí)際工程中，焊接接頭彎曲試驗(yàn)一方面用于檢驗(yàn)接頭的塑性、彎曲變形協(xié)調(diào)能力，另一方面也用于對(duì)無損檢測(cè)無法發(fā)現(xiàn)的微小缺陷進(jìn)行檢查。目前，焊接接頭彎曲性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)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(yàn)除了能夠檢驗(yàn)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(biāo)之一。針對(duì)n與冷彎角α開展研究，結(jié)果表明試件厚度、寬度對(duì)最大冷彎斷后伸長(zhǎng)率δmax均無顯著影響。隨著n減小，δmax會(huì)增加，二者關(guān)系近似于δmax=1/n+1×100(%)。對(duì)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(shí)達(dá)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(guān)，當(dāng)n小時(shí)α臨大。在焊接接頭的縱向冷彎試驗(yàn)中，影響冷彎?rùn)z驗(yàn)嚴(yán)格程度的參數(shù)是n，而不是α。徐桂蘭等[12]對(duì)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(shí)，各區(qū)域變形隨著α的增大而增加；當(dāng)α從100°增加至180°時(shí)，彎曲試樣中心區(qū)相對(duì)斷后伸長(zhǎng)率幾乎不再增加，表明臨界冷彎角α臨約為100°。殷鴻[13]對(duì)16Mn,15MnV等多種鋼焊接接頭的研究結(jié)果也支持該觀點(diǎn)。由此得出：當(dāng)α<α臨時(shí)，n,α是決定冷彎試驗(yàn)程度的主要參數(shù)；當(dāng)α≥α臨時(shí)，n是決定彎曲試驗(yàn)程度的主要參數(shù)。

PETLEY等[14]研究了三點(diǎn)彎曲對(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)，用于評(píng)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(píng)定彎曲試驗(yàn)不合格的主要原因包括宏觀焊接缺陷(小氣孔、點(diǎn)狀?yuàn)A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(jìn)行彎曲試驗(yàn)時(shí)，絕大多數(shù)9%Ni鋼焊接接頭進(jìn)行橫向彎曲都會(huì)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(shí)踐表明9%Ni鋼焊接接頭側(cè)彎不合格主要原因?yàn)槟覆呐c焊縫金屬屈服強(qiáng)度差距太大，彎曲試驗(yàn)時(shí)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(rèn)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(duì)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(shí)，會(huì)由于HAZ鐵素體晶粒粗大和稀釋引起的馬氏體的存在導(dǎo)致彎曲性能不合格。對(duì)于異種鋼接頭，在制定焊接工藝與焊材選型時(shí)，需綜合考慮稀釋率、組織演變、元素?cái)U(kuò)散與偏析等因素，以避免彎曲性能不合格。

2.3 彎曲試驗(yàn)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(diǎn)彎曲焊接接頭最小彎曲直徑計(jì)算公式：

(1)

結(jié)果見圖1[20]和圖2。當(dāng)彎曲直徑較小時(shí)，采用三點(diǎn)彎曲方法焊接接頭中會(huì)產(chǎn)生明顯的斷后伸長(zhǎng)率峰值；D/t<4.5時(shí)，三點(diǎn)彎曲斷后伸長(zhǎng)率峰值曲線明顯高于輥筒彎曲斷后伸長(zhǎng)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(diǎn)彎曲法會(huì)造成焊接接頭內(nèi)部的應(yīng)力集中，其彎曲性能無法被準(zhǔn)確評(píng)估。

圖1 ZG200-400試樣三點(diǎn)彎曲斷后伸長(zhǎng)率分布

圖2 δmax-D/t關(guān)系曲線

劉吉濤[21]對(duì)異種材質(zhì)焊接接頭三點(diǎn)彎曲進(jìn)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(duì)夾持試樣不同端部，且動(dòng)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(jié)果表明，夾軟質(zhì)材料試樣輥筒彎曲能有效評(píng)估焊接接頭彎曲性能，三點(diǎn)彎曲和夾硬質(zhì)材料輥筒彎曲焊接接頭會(huì)出現(xiàn)凸起和滑移現(xiàn)象。

焊接接頭在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)時(shí)存在彎剪耦合效應(yīng)[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(yīng)變量最大[23-25]。

IVANA等[26]研究材料屈強(qiáng)比、試樣尺寸等因素對(duì)ASTM 355級(jí)別無縫管三點(diǎn)彎曲的影響，結(jié)果表明屈強(qiáng)比、試驗(yàn)速度、表面粗糙度對(duì)彎曲試驗(yàn)均有影響。

陳愛志等[27]采用不同壓頭直徑測(cè)定了屈服強(qiáng)度為590 MPa級(jí)10CrNi3MoV鋼焊接接頭彎曲試驗(yàn)后不同部位的斷后伸長(zhǎng)率，美國(guó)MIL標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于艦船用焊接材料對(duì)接接頭彎曲試驗(yàn)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(jié)論

(1)中國(guó)、國(guó)際、日本、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法、焊接材料驗(yàn)收、焊接工藝評(píng)定等的規(guī)定與要求存在顯著差異，這主要與各標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)于彎曲試驗(yàn)的認(rèn)識(shí)、理解、目的存在差異有關(guān)。鑒于現(xiàn)狀，彎曲試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)應(yīng)結(jié)合試驗(yàn)方法、試樣狀態(tài)等多方面因素進(jìn)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(guān)。彎曲試驗(yàn)不僅可以用于評(píng)價(jià)接頭變形能力，而且在檢測(cè)微小缺陷方面發(fā)揮著重要作用，是力學(xué)性能試驗(yàn)、無損檢測(cè)的重要補(bǔ)充，是一種十分有效、不可缺失的焊接接頭破壞性試驗(yàn)手段。

(3)針對(duì)彎曲試驗(yàn)方法與考核指標(biāo)確定，焊接行業(yè)應(yīng)緊緊圍繞工程需求，立足于彎曲試驗(yàn)原理與目的，通過開展基礎(chǔ)研究與試驗(yàn)驗(yàn)證等相關(guān)工作，為工程質(zhì)量提升提供支撐與保障。