焊接性试验方法的应用和优化

使用焊接性就是“整个焊接接头或整体结构满足技术条件规定的使用性能的程度”。对于各种焊接结构的接头都应具有足够的常规力学性能和抗脆性断裂性能，对于在高温下工作的接头、在腐蚀下工作的接头，以及承受交变载荷的接头，都要进行高温性能、耐腐蚀性能和疲劳性能方面的试验。即根据焊接结构的不同使用条件，进行不同的使用焊接性试验。

下面详细介绍焊接接头的常温力学性能试验，并对焊接接头高温性能试验、焊接接头耐腐蚀性能试验和焊接接头的疲劳试验作简单介绍。

（一）焊接接头的常规力学性能试验

焊接接头常规力学性能试验主要有焊接接头的拉伸试验、焊缝及熔敷金属拉伸试验、焊接接头弯曲及压扁试验、焊接接头冲击试验、焊接接头及堆焊金属硬度试验等。

1.焊接接头的常温拉伸试验

（1）试样的基本形式 GB/T 2651—2008《焊接接头拉伸试验方法》中常温拉伸试验所用试样，分别为板状试样、管接头板状试样、整管试样和实芯截面试样。试样具体形式如图3-32中的a～d所示。

（2）测定的性能指标 焊接接头的拉伸试验可测出接头的抗拉强度σ_b（MPa）并确定拉伸试验试样的断裂位置。

图3-32 拉伸试样

a）板接头板状试样 b）管接头板状试样 c）整管形试样 d）圆形试样

2.焊缝及熔敷金属拉伸试验法

（1）试样的基本形式 GB/T 2652—2008《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》规定了试样的取样位置和尺寸，试样的夹持端应满足所使用的拉伸试验机的要求。

（2）测定的性能指标 焊缝及熔敷金属拉伸试验可测出下列性能指标：

1）抗拉强度σ_b（MPa）；

2）屈服点σ_s（MPa）或条件屈服强度σ_0.2（MPa）；

3）伸长率δ（%）；

4）断面收缩率ψ（%）。

3.焊接接头弯曲

（1）试样的基本形式 GB/T 2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》规定了对接接头和带堆焊层的正弯、侧弯试样。试样具体形式如图3-33所示。

图3-33 弯曲试样

（2）测定的性能指标 焊接接头弯曲试验法可检验塑性金属材料变形能力，焊接接头各区的塑性差别，焊接接头和熔合线的接合质量。

4.焊接接头冲击试验法

（1）试样的基本形式 GB/T 2650—2008《焊接接头冲击试验方法》给出了试样类型、位置和缺口方向。

（2）测定的性能指标 可以测定焊缝、熔合线、热影响区和母材在突加载荷作用时对缺口的敏感性、冲击吸收功J。在断口处可检查金属内有无气孔、裂纹、夹渣或其他焊接缺陷。

5.焊接接头及堆焊金属硬度试验法

（1）试样的基本形式 为了便于比较和考核，对不同接头形式硬度测量点的位置和分布，GB/T 2654—2008《焊接接头硬度试验方法》做了具体规定。

（2）测定的性能指标 焊接接头及堆焊金属硬度试验法可测定焊接接头及堆焊金属的强度、塑性、韧性、耐磨性，以及抗裂性等与硬度有关的性能。

（二）焊接接头高温性能试验

焊接结构在高温下工作时，焊接接头应该具备与母材相当的高温性能。有必要进行焊接接头不同的高温性能试验。焊接接头高温性能试验主要有焊接接头短时高温拉伸强度试验、焊接接头高温持久强度试验和焊接接头的蠕变断裂试验等。下面对这三种高温性能试验进行简单介绍。

1.焊接接头短时高温拉伸强度试验 根据焊接接头的高温工作条件，进行高温短时拉伸试验时，按标准GB/T 4338—2006《金属材料高温拉伸试验方法》的规定进行，以求得不同温度的抗拉强度、屈服点、伸长率及断面收缩率等。

2.焊接接头高温持久强度试验 在高温工作的构件，如高压蒸汽锅炉管道及焊接接头，虽然所承受的应力小于工作温度的屈服点，但在长期的服役过程中可导致管道破裂。因此，对于高温下工作的材料及焊接接头，必须测定高温长期载荷作用下的持久强度，即在给定温度，材料经过规定时间发生断裂的应力值。

3.焊接接头的蠕变断裂试验 金属在高温（恒温）和恒应力作用下，发生缓慢的塑性变形的现象称为蠕变。蠕变可以在单一应力（拉力、压力或扭力），也可以在混合应力下产生，典型的蠕变曲线如图3-34所示。a′a为开始加载后所引起的瞬时变形（ε₀）；ab为蠕变第Ⅰ阶段，在此阶段中材料的蠕变速度随时间的增加而逐渐减慢；bc为蠕变的第Ⅱ阶段，在此阶段材料以恒定的蠕变速度产生变形；cd为蠕变的第Ⅲ阶段，此阶段材料的蠕变加速进行，直至d点发生断裂。

图3-34 典型的蠕变曲线

蠕变极限是试样在一定温度下和规定的持续时间内，使蠕变变形量即蠕变速度达到某规定值时所需的最大应力。焊接接头的蠕变断裂试验可参照标准GB/T 2039—2012《金属材料单轴拉伸蠕变试验方法》的规定进行。(www.xing528.com)

（三）焊接接头耐腐蚀性能试验

1.焊接接头耐晶间腐蚀试验法 奥氏体型不锈钢焊缝或热影响区在经受450～850℃加热时，会产生铬的碳化物由晶界折出，从而在某些介质中导致焊缝或热影响区发生晶间腐蚀。评定奥氏体型不锈钢晶间腐蚀的试验方法很多，GB/T 4334—2008标准《金属和合金的腐蚀不锈钢晶间腐蚀试验方法》介绍了几种常用的方法，焊接接头试样尺寸和取样方法见图3-35。

图3-35 焊接接头晶间腐蚀试样的尺寸和取样方法

a）单焊缝取样 b）交叉焊缝取样

（1）方法A 不锈钢φ（草酸）10%浸蚀试验方法。适用于奥氏体型不锈钢晶问腐蚀的筛选试验。

（2）方法B 不锈钢硫酸-硫酸铁腐蚀试验方法（失重法）。适用于将奥氏体型不锈钢在硫酸硫酸铁溶液中煮沸试验后，以腐蚀速率评定晶间腐蚀倾向。本方法适用于对耐晶间腐蚀有较严格要求的钢种。

（3）方法C 不锈钢ψ（硝酸）65%腐蚀试验方法（失重法）。适用于将奥氏体型不锈钢在体积分数为65%的硝酸溶液中煮沸试验后，以腐蚀速率评定晶间腐蚀倾向。本方法适用于对耐晶间腐蚀有严格要求的钢种。

（4）方法D 不锈钢硝酸-氢氟酸腐蚀试验方法（失重法）。适用于检验含钼奥氏体型不锈钢的晶间腐蚀倾向。

（5）方法E 不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀试验方法（弯曲法）。适用于检验奥氏体型、奥氏体-铁素体型不锈钢。在加有铜屑的硫酸-硫酸铜溶液中煮沸试验后，由弯曲或金相判定晶间腐蚀倾向。本方法适用于对耐晶间腐蚀性能仅有一定程度要求的钢种。

2.应力腐蚀裂纹试验 金属在应力（拉应力或内力）和腐蚀介质联合作用下引起的断裂失效，称为应力腐蚀开裂。评定应力腐蚀的试验方法很多，一般多用光滑试样。

光滑试样应力腐蚀试验方法是用光滑试样在应力和腐蚀介质共同作用下，根据发生断裂的持续试样作为判据，定量地评定材料抗应力腐蚀的性能。试验程序和要求按YB/T 5362—2006《不锈钢在沸腾氯化镁溶液中应力腐蚀试验方法》标准的规定进行。加载的方法有两种：

（1）恒负载拉伸试验 把光滑拉伸试样装在专用的试验装置中，将配制好的溶液加热，待到沸腾时开始加载，并记录加载到断裂的时间（断裂时间）。

（2）U形弯曲试验 如图3-36所示，把厚1～3mm，宽10mm或15mm，长75mm的试样，用半径为8mm的压头压成U形，用适当的夹具加压将两臂间的宽度压缩5mm。放入沸腾的试验溶液中，每隔一定时间取出试样，检查开裂情况，记录出现宏观裂纹的时间及裂纹贯穿时间。

（四）焊接接头的疲劳试验

焊接结构在服役过程中，如果承受载荷的数值和方向变化频繁时，即使载荷比静载的抗拉强度σ_b小，甚至比材料的屈服点σ_s还低得多，仍然可能发生破坏，称为疲劳破坏。

图3-36 U形弯曲应力腐蚀试验

a）试样弯曲方法 b）试样夹紧方法

疲劳试验是在专门的试验机上选用一定的应力（或应变）循环特性的载荷，进行多次反复加载试验，测得使试样破坏所需要的加载循环次数N，将破坏应力σ与N绘成疲劳曲线，从而获得不同循环下的疲劳强度及疲劳极限。

焊接接头和焊缝的疲劳试验方法有焊接接头和焊缝的旋转弯曲疲劳试验、焊接接头轴向疲劳试验等。

焊接接头和焊缝的旋转弯曲疲劳试验按照GB/T 2656《焊缝金属和焊接接头的疲劳试验方法》的规定进行，试样的度量、对试验机的要求、试验结果的计算按照GB/T 4337《金属材料疲劳试验旋转弯曲试验方法》的规定进行。

焊接接头轴向疲劳试验按照GB/T 13816—1992《焊接接头脉动拉伸疲劳试验方法》的规定进行。

（五）焊接接头的步冷试验

钢材在回火缓慢冷却过程中或在某温度范围长期使用后，出现钢材韧性明显降低、脆性转变温度升高的现象称为回火脆性或回火脆化，其开裂特征是沿奥氏体晶界断裂。加氢反应器常用的Cr-Mo钢（特别是当w（Cr）为2.0%～3.0%时）有回火脆化倾向。

1.试验方法 通常采用步冷试验来进行钢材及焊接接头的回火脆化倾向的评定。按图3-37所示的曲线对焊接接头进行加热，使之发生快速回火脆化。分别对步冷试验前后的焊接接头（焊缝和热影响区）进行系列冲击试验，绘出步冷试验前、后回火脆化程度的曲线。根据回火脆化程度曲线（见图3-38），确定延脆性转变温度vTrs（断口纤维率为50%时所对应的温度）或vTr54（冲击吸收功为54J时所对应的温度）及ΔvTrs或ΔvTr54。

图3-37 步冷处理曲线

图3-38 回火脆化程度曲线

2.考核指标 回火脆化倾向评定的考核指标应由设计部门给定。常见的考核指标如下：

（1）美国雪弗龙公司早期提出的考核指标 vTr54+1.5ΔvTr54≤38℃（100℉）

（2）20世纪90年代普遍采用的考核指标 vTr54+2.5ΔvTr54≤38℃（100℉）

（3）近期随着对设备安全性要求的提高，又相继出现了一些新的考核指标 vTr54+2.5ΔvTr54≤10℃；vTr54+3ΔvTr54≤0℃。