常用工艺焊接性试验方法优化

2.4.5.1 工艺焊接性的间接估算法

常用工艺焊接性间接估算法见表2.4-2。

1.评估钢材冷裂纹倾向的碳当量法

碳当量法：把钢中合金元素（包括碳）的含量，按其作用换算成碳的相当含量（以碳的作用系数为1）作为粗略评定钢材冷裂倾向的一种参考指标，即所谓碳当量法。常用碳当量公式及其适用范围见表2.4-3。

表2.4-2 常用工艺焊接性间接估算法

表2.4-3 常用碳当量公式及其适用范围

注：表中化学元素符号表示该元素在钢中的质量分数。

表2.4-4 A（C）与w（C）的关系

评定时需注意：

1）当使用国际学会推荐的公式时，对于板厚小于20mm的钢材，若CE_IIW<0.4%，则淬硬倾向不大，焊接性良好，焊前不需预热；若CE_IIW=0.4%～0.6%，尤其是大于0.5%时，钢材易淬硬，说明焊接性已变差，焊时需预热才能防止焊接裂纹，随着板厚增大，预热温度要相应提高，一般可在70～200℃之间。

2）当使用日本JIS标准的碳当量公式时，除需考虑板厚因素外，还必须同时考虑钢材的强度级别。当板厚小于25mm，采用焊条电弧焊（热输入为17kJ/cm）时，规定了不产生裂纹的碳当量界限和相应的预热措施，见表2.4-5。

3）当使用美国焊接学会推荐的碳当量公式时，需根据计算出来某钢种的碳当量再结合焊件的厚度从图2.4-2中查出该钢材的焊接性的优劣等级。再从表2.4-6中确定出不同焊接性钢材的最佳焊接条件。

2.焊接热影响区连续冷却组织转变图法（SHC_- CT图法）

焊接条件下连续冷却组织转变图是利用快速膨胀仪或热模拟试验装置在模拟焊接热循环条件下建立起来的。它可以比较方便地预测焊接热影响区的组织、性能和硬度，从而可以预测某钢材在一定焊接条件下的淬硬倾向和产生冷裂纹的可能性。同时也可作为调节焊接热输入，改进焊接工艺（如预热、后热及焊后热处理）的依据。

表2.4-5 按钢材强度和碳当量确定预热温度

表2.4-6 不同焊接性钢材的最佳焊接条件

近年来随着计算机的发展，已把低合金高强度钢的焊接SHCCT图编制成软件，随时调用，并可利用计算机绘制出新钢种的SHCCT图，国内常用的低合金钢焊接SHCCT图可参见相关文献，这里仅以15MnMoVN钢的焊接SHCCT图为例，如图2.4-3所示，数据见表2.4-7。

3.焊接热影响区（HAZ）最高硬度法

焊接热影响区最高硬度比碳当量更好地反映钢种的淬硬倾向和冷裂纹的敏感性，因为它不仅反映了钢种化学成分的影响，而且也反映了金属组织的作用。由于硬度测定的方法简单易行，已被国际焊接学会（IIW）采用。

试件的形状和尺寸分别如图2.4-4和表2.4-8所示。试件标准厚度为20mm，若实际板厚超过20mm，则用机械加工成20mm厚，并保留一个轧制表面。若板厚小于20mm，则不需加工。可用气割下料，1号、2号试件各备一块。

焊前清除试件表面的水、油、铁锈及过厚的氧化皮；焊时试件两端要支承架空，试件下面留有足够空间；1号试件在室温下，2号试件在预热温度下进行焊接；采用平焊位置，沿试件轧制表面的中心线焊出长为125±10mm的焊缝，如图2.4-4所示。用直径为4mm焊条，焊接电流170±10A，焊接速度为（150±10）mm/min施焊。焊后在静止空气中自然冷却12h，不进行任何热处理。

在室温下用机械加工方法垂直切割焊缝中部，在此断面上取硬度测量试样。试样的检测面经研磨后再腐蚀。然后按图2.4-5所示，画一条既切于熔合线底部切点O，又平行于试样轧制表面的直线。在室温下沿直线上每隔0.5mm测一点，用载荷为10kg的维氏硬度计测定。以切点O及其两侧各7个以上的点作为硬度的测定点。硬度试验应按GB/T 4340.1—2009《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》的规定执行。

图2.4-2 焊接性与碳当量及板厚关系

图2.4-3 15MnMoVN钢的焊接SHCCT图

a）SHCCT图 b）不同冷却时间的组织 c）不同冷却时间的硬度

注：图a中的化学成分为质量分数。

表2.4-7 图2.4-3a的焊接热影响区连续冷却组织转变图数据表

图2.4-4 HAZ最高硬度法试件的形状

图2.4-5 测定硬度的位置

表2.4-8 HAZ最高硬度法试件的尺寸

一般焊接用的钢材都应提供其最高硬度值，表2.4-9为常用低合金高强度钢的碳当量及允许的最高硬度值。

这些方法最大缺点是不能对被焊金属作出精确的焊接性评价，因为化学成分或者硬度仅仅是影响焊接性的一方面因素。为此，需要建立更为准确的工艺焊接性评定方法。

2.4.5.2 工艺焊接性的直接试验法

1.焊接热裂纹敏感性试验方法

表2.4-10列出常用的几种焊接热裂纹试验方法。

表2.4-9 常用低合金高强度钢的碳当量及允许的最大硬度

表2.4-10 常用的几种焊接热裂纹试验方法

①也适于冷裂纹研究；

②M表示焊条电弧焊。

（1）T形接头焊接裂纹试验方法 该试验方法主要用于评价碳素钢和低合金钢角焊缝的热裂纹敏感性，也可以测定焊条及焊接参数对热裂纹的影响。

试件的尺寸和形状如图2.4-6所示，立板的底端应进行机加工。试验材料原则上采用GB/T 700—2006《碳素结构钢》规定的Q235A和Q235AF钢。

焊前试件的底板与立板应紧密接触，两端要用定位焊缝固定，用直径为4mm的焊条，焊接电流为规定值的上限，如图2.4-7所示，S₁为拘束焊缝，S₂为试验焊缝，二者均应采用船形位置进行焊接，在焊完拘束焊缝S₁后，立即焊一道试验焊缝S₂，两道焊缝的间隔时间不大于20s，其焊接方向相反，试验焊缝S₂的平均厚度应比拘束焊缝S₁小20%。

图2.4-6 试件尺寸及形状

图2.4-7 试验焊缝的焊接位置

待试件冷却后，检查试验焊缝S₂有无裂纹（用肉眼、手持放大镜、磁粉、渗透等），如发现裂纹，要测量裂纹的长度，并按下面公式计算裂纹率：

式中 C——表面裂纹率（%）；

∑L——表面裂纹长度之和（mm）。

（2）压板对接（FISCO）焊接裂纹试验方法 此法主要评定焊缝金属热裂纹的敏感性，也可用于某些钢材与焊条匹配性试验。

试件的形状与尺寸如图2.4-8所示，试件坡口为I形，采用机械切削加工，坡口附近表面要打磨干净。试验装置如图2.4-9所示，由C形拘束框架、齿形底座及紧固螺栓等组成。

图2.4-8 试件的形状和尺寸

试验时，先把试件安装在FISCO试验装置内（C形拘束框架），为保证坡口间隙在0～6mm范围内，按试验的要求装入相应的塞片。调整坡口间隙大小对产生裂纹的影响很大。随着间隙的增加。裂纹的敏感性增大。

垂直方向用14个加固螺栓压紧试板，横向用4个螺栓定位，将水平方向的螺栓紧固，紧到顶住试件即可。再把垂直方向的螺栓用测力扳手以12000N·cm的扭矩紧固好。

按图2.4-10所示，依次焊接4条长度约40mm的试验焊缝。其间距约10mm，原则上不必填满弧坑，试验所用的焊接参数按生产上的要求确定。

图2.4-9 FISCO试验装置

1—C形拘束框架 2—试件 3—紧固螺栓 4—齿形底座 5—定位塞 6—调节板

图2.4-10 试验焊缝位置

焊接后约10min将试件从装置上取出，待试件冷却到室温后，将试件沿焊缝纵向弯断，观察4条焊缝的断面上有无裂纹，并测量裂纹长度。对4条焊缝的裂纹率采用如下公式计算：

式中 C——表面裂纹率（%）；

∑l_i——4条试验焊缝的裂纹长度之和（mm）；

∑L_i——4条试验焊缝长度之和（mm）。

（3）十字搭接裂纹试验法 这种试验主要用于厚度1～3mm的结构钢、不锈钢、高温合金、铝合金、镁合金和钛合金等TIG焊及焊条电弧焊薄板的热裂纹敏感性，也可测定焊条和焊丝的热裂纹倾向。

试件的形状、尺寸和装配如图2.4-11所示，两块试板的尺寸示于表2.4-11。

图2.4-11 十字搭接裂纹试件

试验前先把两块试板按图2.4-11所示的位置用定位焊固定在一起，然后按图上的顺序和方向连续焊完1、2、3、4焊缝。焊后2h内检查焊缝及热影响区有无裂纹，根据裂纹长度的百分率评定裂纹敏感性的大小，取5块试件的平均值。这种试验，裂纹多出现在3、4焊缝上。

表2.4-11 十字搭接试板尺寸

（4）鱼骨状裂纹试验法 鱼骨状裂纹试验主要用于评定铝合金、镁合金和钛合金的薄板（1～3mm）焊缝及热影响区的热裂纹敏感性。试件的形状和尺寸如图2.4-12所示。试件上每10mm加工一不同深度的槽，造成该试件长度方向的不同拘束度。显然，沟槽的深度越大，拘束度就越小。

试验采用钨极氩弧焊（TIG），电流≈70～80A，焊速≈150～180mm/min，在带有铜垫板的专用夹具上施焊，焊接方向由A至B。裂纹发生后，随着拘束度的降低，裂纹停止扩展，测量焊缝或热影响区的裂纹长度（以5个试件的裂纹长度平均值确定），即可评定裂纹敏感性的大小。

图2.4-12 鱼骨状裂纹试件

（5）可调拘束裂纹试验法（Varestraint试验） 这种试验方法可用于评定多种金属材料（碳钢、低合金钢、不锈钢、铝合金、铜合金等）焊接热裂纹的敏感性（包括结晶裂纹、高温失塑裂纹和液化裂纹等），它的基本原理是利用焊缝凝固的后期，施加不同的应变值，研究产生裂纹的规律，在某一温度区间内当外加应变值超过焊缝或热影响区本身的塑性变形能力时，即产生裂纹，这种试验方法即以此来评定产生热裂纹的敏感性。

可调拘束裂纹试验装置如图2.4-13所示，试验装置上配有各种记录装置，以记录温度、时间和应变量等。

试件尺寸为（5～16）mm×（50～80）mm×（300～350）mm钢板，把试件装在试验装置上，根据试验的要求选择不同曲率的模块。使用选定的焊条，经烘干后按规定的焊接参数（焊接电流170A，焊条φ4mm，电弧电压24～26V，焊速150mm/min）进行施焊，如果只研究母材的热裂纹倾向，可采用TIG重熔，按图2.4-13所示，从A点至C点进行焊接，当电弧到达B点时，由行程开关控制，开动加载压头在试件的一端突然加力F，使试件按模块的曲率发生强制变形，此时电弧继续前进至C点后熄弧，加载时，从试件单侧加载，为保证试件变形速度均匀和试件承受应变量的准确性，采用了旋转式加载机构，从而使加载压头始终垂直于试件表面，近代的可调拘束裂纹试验机具有快速和慢速的变形功能，采用气-液压联合作用的加载机构，加载能力约（5～10）×10⁴N。

慢速变形时，采用支点弯曲的方式，应变量由加载压头下降距离S任意调节，应变速度约为0.3%/s～7.0%/s。

式中 S——加载压头下降的弧形位移（mm）；

R₀——加载压头的旋转半径（mm）；

α——试板的弯曲角。

快速变形时，应变量（ε）由更换弧形模块的曲率半径来控制（图2.4-13），可用下式简化计算：

式中 ε——应变量（%）；

δ——试件的板厚（mm）；

R——弧形模板的曲率半径（mm）。

当ε值达到某一临界值时，在焊缝或热影响区就会出现裂纹，此时的应变量称为（临界应变量），此后，随着ε值的增大，出现裂纹的数量和长度均会增加，用工具显微镜检测裂纹的总长度和裂纹的数量。从而可以得到一系列的定量数据作为评定热裂纹敏感性的指标。

该试验装置既可进行纵向焊缝试验，也可以进行横向焊缝试验。两者可在同一台试验机上进行，试验过程基本相同，仅焊缝所承受的应变方向不同。试验时，只需将焊接方向扭转90°即可。

横向可调拘束裂纹试验主要用于测试焊缝中的结晶裂纹和多边化裂纹，如图2.4-14所示。直接可测得下列数据作为结晶裂纹的评定指标：

1）材料不产生结晶裂纹所能承受的最大应变量（临界应变量）ε_cr。

2）某应变量下的裂纹最大长度L_max。

3）某应变量下的裂纹总长度L_t。

4）某应变量下的裂纹总条数N_t。

图2.4-13 可调拘束裂纹试验装置

a）纵向试验法 b）横向试验法

纵向可调拘束裂纹试验主要用于反映结晶裂纹和液化裂纹，如图2.4-15所示。可直接测得下列数据作为结晶（或液化）裂纹的评定指标：

1）材料不产生结晶（或液化）裂纹的最大应变量ε_cr。

2）某应变量下结晶（或液化）裂纹的最大长度L_max。

3）某应变量下结晶（或液化）裂纹的总长度L_t。

4）某应变量下结晶（或液化）裂纹的总条数N_t。

图2.4-14 横向可调拘束试验裂纹的分布

图2.4-15 纵向可调拘束试验的裂纹分布

（6）圆形补板裂纹试验 此方法可用于评价热裂纹及冷裂纹敏感性，试样尺寸及形状如图2.4-16所示。平板上开一孔，将一修补板焊上，平板和补板都开双面V形坡口，焊接时采用单道焊或多道焊，焊后目视检查并采用射线、渗透法检验裂纹。

2.焊接冷裂纹试验方法

表2.4-12列出低合金高强度钢常用的焊接冷裂纹试验方法及其主要特点。

（1）斜Y形坡口焊接裂纹试验方法 该试验主要用于评价碳钢和低合金高强度钢焊接热影响区内的冷裂纹敏感性。

试件的尺寸和形状如图2.4-17所示，板厚9～38mm，试件坡口采用机械加工。每一种试验条件要制备两块以上试件。两端各在60mm范围内施焊拘束焊缝，采用双面焊透。要保证待焊试验焊缝处有2mm装配间隙和不产生角变形。

试验用焊条原则上与试验钢板相匹配，焊前应严格烘干，根据需要可在各种预热温度下焊接；推荐采用下列焊接参数：焊条直径4mm，焊接电流（170±10）A，电弧电压（24±2）V，焊接速度（150±10）mm/min。

表2.4-12 常用的焊接冷裂纹试验方法及其主要特点

①M为焊条电弧焊。

图2.4-16 试样形状及尺寸

图2.4-17 试样的形状及尺寸

试验前先焊拘束焊缝，采用双面焊接，防止产生角变形及未焊透，在焊接试验焊缝时，如果采用焊条电弧焊，按图2.4-18进行焊接，如果采用焊条自动送进装置进行焊接，按图2.4-19所示进行焊接，均只焊一道焊缝，焊后试件经48h后，对试件进行检查和解剖，检测裂纹用肉眼或手持放大镜仔细检查焊接接头表面和断面是否有裂纹，裂纹的长度或深度按图2.4-20进行计量，裂纹长度为曲线形状，则按直线长度计量。

按下列方法分别计算表面、根部和断面裂纹率。

图2.4-18 焊条电弧焊的试验焊缝

图2.4-19 焊条自动送进的试验焊缝

1）表面裂纹率C_f：

式中 C_f——表面裂纹率（%）；

∑l_f——表面裂纹长度之和（mm）；

L——试验焊缝长度（mm）。

2）根部裂纹率C_r：

式中C_r——根部裂纹率（%）；

∑l_r——根部裂纹长度之和（mm）；

L——试验焊缝长度（mm）。

检测根部裂纹时，应先将试件着色后拉断或弯断，然后进行测量。

3）断面裂纹率C_s：在试验焊缝上，焊缝宽度开始均匀处与弧坑中心之间按切取4～6块试件，检查五个断面的裂纹深度（图2.4-20c），用下式分别计算五个断面的裂纹率，然后取其平均值。

式中 C_s——断面裂纹率（%）；

H_c——断面上裂纹的深度（mm）；

H——试验焊缝的最小厚度（mm）。

可以利用裂纹率进行焊接性能评定。对于低合金钢，一般认为表面裂纹率小于20%，用于生产是安全的。

如果试验用的焊接参数不变，用不同预热温度进行试验，就可以测定出防止冷裂纹的临界预热温度，作为评定钢材冷裂纹敏感性指标。

低合金钢多采用此方法评定其抗冷裂性能，缺点是试验周期较长。

除斜Y形坡口试件外，可以做成直Y形坡口的试件，用以考核焊条或异种钢焊接的裂纹敏感性，其试验程序以及裂纹率的检测与计算与斜Y形坡口试件相同。

（2）搭接接头CTS焊接裂纹试验方法 CTS（Controlled Thermal Severity，即可控热拘束）。该试验方法是通过热拘束指数的变化来反映冷却速度对焊接接头裂纹敏感性的影响，主要用于碳素钢和低合金高强度钢焊接热影响区的冷裂纹敏感性评定。

试件形状、尺寸和组装如图2.4-21所示，上板试验焊缝的两个端面必须进行机械切削加工，气割下料时，应留10mm以上的机加工余量。上下板的接触面以及下板的试验焊缝附近，应清除铁锈、油污和氧化皮等。其他端面可以气割下料。常用的试板厚度为6～50mm，根据结构的情况不同、上下板的厚度可以不同。

试验时先按图2.4-21进行组装、用M12螺栓把上、下板固定，然后采用试验焊条焊接两侧的拘束焊缝，每侧焊两道。待试件完全冷至室温后，将试件放在隔热的平台上焊接试验焊缝1，待试件完全冷却至室温，更换焊条再焊试验焊缝2。

推荐采用下面的焊接参数焊接试验焊缝：焊条直径4mm，焊接电流（170±10）A，电弧电压（24±2）V，焊接速度（150±10）mm/min。焊接通常在室温下进行，但也可以在预热的条件下进行，这要根据要求而定，焊后试件在室温放置48h以后进行解剖。

试件解剖时，按图2.4-22点画线所示的尺寸进行机加工切割，每条试验焊缝取3块试片，共取6块。

试样的检测面要进行全面研磨和腐蚀处理，然后要用放大10～100倍的显微镜检测有无裂纹，并按图2.4-23所示测量裂纹长度。

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图2.4-20 试验裂纹长度计算

a）表面裂纹 b）根部裂纹 c）断面裂纹

图2.4-21 搭接接头焊接裂纹试验试件的形状及尺寸

a>1.5 δ₁—上板厚度 δ—下板厚度

对所测得的裂纹长度，应用下面的公式分别计算出上板和下板的裂纹率。

式中 C₁、C₂——上、下板的裂纹率（%）；

ΣL₁——上板的裂纹长度之和（mm）；

ΣL₂——下板的裂纹长度之和（mm）；

S₁——上板试验焊缝焊脚高度（mm）；

S₂——下板试验焊缝的焊脚长度（mm）。

图2.4-22 试件解剖尺寸

图2.4-23 测量裂纹长度

试验时，需记录试验日期、时间、环境温度和湿度，试件钢号和化学成分、试件状态，试件上、下板厚度及其轧制方向，焊前试件温度、焊接电源种类、极性、焊条牌号、焊条直径、焊条烘干温度和时间，试件开始解剖时间和方法等。

本试验方法除用裂纹率作为评定指标外，还采用热拘束指数（Thermal Severity Number，简称TSN）作为评定指标。热拘束指数与板厚和传递热流的方向数有关，是用来表示冷却条件与裂纹间关系的指数。

由于这种试验方法建立初期采用的是6.25mm厚钢板，所以在确定TSN数时都以6.25mm板厚为基数。如图2.4-24所示，在板厚6.25mm的端部试验焊缝，其热流方向数为1，此时TSN=1，当板厚为12.5mm时，虽然热流方向数也为1，但因板厚比前者大1倍，故TSN=2（图2.4-24b）；图2.4-24c、d表示CTS试验的热流方向数，第1条试验焊缝的热流方向数为2，称二向热流，TSN=2，第2条试验焊缝的热流方向数为3，，称三向热流，TSN=3。利用以下公式可算出CTS试验时不同板厚的TSN值。

第1条试验焊缝：

第2条试验焊缝：

式中 δ₁——上板厚度（mm）；

δ——下板厚度（mm）。

图2.4-24 热拘束指数的确定

不同板厚试验时的TSN值见表2.4-13。

表2.4-13 CTS试验不同板厚的TSN值

试验后根据TSN值评定焊接性时，可参考下列数据：当焊缝及热影响区（主要是焊道下）无裂纹时的TSN≤12为A级，TSN≤8为B级，TSN≤6为C级，TSN≤4为D级，TSN≤3为E级，TSN≤2为F级，TSN≤2有裂纹时为G级。A级为焊接性最好，G级焊接性最差。

（3）刚性对接裂纹试验法 这种试验方法主要用于测定焊缝的热裂纹和冷裂纹，也可以测定焊接热影响区的冷裂纹。试件的尺寸和形状如图2.4-25所示，试验程序按船舶行业标准CB/T 1119—1996《手工电弧焊刚性对接裂纹试验方法》进行。

试件的四周先用定位焊固定在刚度很大的底板上（厚度大于50mm）；当试验钢板厚度δ≤12mm时，焊脚K=δ；当δ>12mm时，K=12mm。

试验时按实际施工的焊接参数施焊试验焊缝，可以是单层也可以是多层焊缝，主要用于焊条电弧焊。

试件焊后在室温下放置24h，先检查焊缝表面，然后从试验焊缝横切三块磨片（图2.4-25），检查有无裂纹。一般以裂与不裂为评定标准，每种条件焊两块试件。

图2.4-25 刚性对接裂纹试验试件尺寸及形状

1—底板 2—试板 3—试验焊缝 4—底切 5—横切 6—拘束焊缝

这种试验方法适用于碳钢和低合金钢，也适于焊接材料和焊接工艺的裂纹敏感性试验。

（4）里海（Lehigh）拘束裂纹试验法 该试验方法在美国和欧洲得到广泛应用。主要适用于评定碳钢、低合金高强度钢和奥氏体不锈钢焊缝金属的热裂纹和冷裂纹的敏感性。

试件的形状和尺寸如图2.4-26所示，在试件中央开20°U形坡口的试验焊缝，在试件的两侧和两端开有沟槽，沟槽的长短会使试板的拘束度发生变化。坡口至沟槽末端的距离为x，当x等于某值而恰好引起裂纹时，此值就可代表临界拘束度。不同x值所具有的拘束度见表2.4-14。

裂纹的检测，先用肉眼观察焊缝表面，再从焊缝中间截取试片，研磨、抛光焊缝横断面，检测有无裂纹。也可用磁粉撒在横断面上显示裂纹。

图2.4-26 里海试验的试件尺寸

表2.4-14 里海试验不同x值的拘束度

（5）锁孔拘束裂纹试验 这是一种简化的里海试验，可用于热裂纹及冷裂纹敏感性试验。试板形状及尺寸如图2.4-27所示，焊接时从试板边缘沿坡口向小孔方向焊接，沿焊缝方向存在不同的拘束，开始焊接的试板边缘处最小，小孔处最大，裂纹在小孔处形成并向外扩展，直至某处拘束较小，使裂纹停止扩展，用裂纹长度评价裂纹敏感性。

图2.4-27 锁孔拘束裂纹试验试板形状和尺寸

（6）插销试验（Implant Test） 插销试验主要用于测定碳钢和低合金高强度钢焊接热影响区对冷裂纹的敏感性，在国内外得到广泛应用。经适当改变，这种试验方法也可用于测定再热裂纹和层状撕裂的敏感性。

插销试验的基本原理是根据产生冷裂纹的三大因素（即钢的淬硬倾向、氢的行为和局部区域的应力状态），以定量的方法测出被焊钢焊接冷裂纹的“临界应力”，作为冷裂纹敏感性指标。具体方法是把被焊钢材做成直径为8mm（或6mm）的圆柱形试棒（即插销），其上端有环形或螺形缺口，把试棒插入底板相应的孔中。然后用与钢材相匹配的并有一定氢含量的焊接材料在底板上按规定的焊接热输入进行焊接，使焊道中心线通过插销端面中心。该焊道的熔深应保证插销缺口正处于热影响区的粗晶部位，如图2.4-28所示。

图2.4-28 插销试验示意图

a）环形缺口试样 b）螺形缺口试样

在焊后冷至100～150℃时加载（有预热时，应冷至高出预热温度50～70℃时加载），如果保持载荷16h（无预热）或24h（有预热）期间试棒发生断裂，即得到该试验条件下的“临界应力”。如果在保持载荷期间未发生断裂，应经过几次调整载荷后直至发生断裂为止。改变氢含量、焊接热输入和预热温度，会得到不同的临界应力。

插销试棒应从被焊钢材制取，沿轧向取样，并注明插销在厚度方向的位置。插销试棒的形状和尺寸如图2.4-29所示，各部位的尺寸见表2.4-15。

插销试棒的长度根据试验机的结构不同，可在35～150mm之间，对于环形缺口的插销试棒，缺口与端面的距离a（图2.4-29a），应使焊道熔深与缺口根部所截的平面相切或相交，但缺口根部圆周被熔透的部分不得超过20%，如图2.4-30所示。

图2.4-29 插销试棒的形状

a）环形缺口插销 b）螺形缺口插销

表2.4-15 插销试棒的尺寸

图2.4-30 熔透比的计算

对于低合金钢，a值在正常焊接热输入时（q_v=15kJ/cm）约为2mm，如改变焊接热输入，a值的变化见表2.4-16。

表2.4-16 缺口位置a与焊接热输入q_v的关系

底板材料应与被试材料相同或两者热物理性质基本一致。底板的尺寸及插销孔的位置如图2.4-31所示。一般试验条件下底板的厚度为20mm，但用于测定实际焊接结构钢材冷裂纹敏感性或用于制定实际焊接的工艺时，可采用实际的板厚。

图2.4-31 底板的形状及尺寸

如果在特殊情况下，试验用的焊接热输入大于20kJ/cm时，经协商同意可以增加底板的宽度、长度和厚度。焊后底板的平均温度不得比初始温度高50℃，并需在报告中记录。

对于试验用的焊接材料，必须说明经烘干后扩散氢的含量及测氢的试验方法，一般应按GB/T 3965—2012进行测氢。

插销试验装置如图2.4-32所示，插销在底板孔中的配合尺寸为。试棒顶端与底板上表面平齐。

图2.4-32 插销试验装置简图

1—传感器 2—连接套 3—底板 4—焊条 5—插销 6—热电偶7—记录仪 8—应变仪 9—机架 10—杠杆 11—计时电钟 12—行程开关 13—缓冲器 14—蜗轮 15—电动机

试验程序如下：

1）加工好的试棒，要用工具放大镜或其他仪器进行尺寸精度检查，重点是缺口尖端的圆角尺寸是否合格。

2）将插销试棒按前面的要求插入底板相应的孔中，并装在试验装置上，试棒的顶端正好与底板上表面平齐，底板的初始温度为室温或规定的预热温度。

3）用选定的焊接热输入在底板上进行堆焊（垂直底板纵向，并通过插销顶端中心），焊道长度100～150mm。

4）为获得焊接热循环有关参数（t_8/5，t₁₀₀，t5/1等），应事先将热电偶焊在底板焊道下的盲孔中（图2.4-31），其深度应与插销试棒的缺口处一致（或底板厚度δ-a），测点的最高温度应不低于1100℃，通常测点位于距插销两侧约20mm，焊道下底板的盲孔端部上。盲孔一般为φ3。

5）当焊道冷至150～100℃时，给试棒逐渐加载，规定的载荷应在1min内加载完毕，此时试棒的温度应不低于100℃，如果有预热时，应在冷却至预热温度之前加载完毕：如果有后热，应在后热以前达到规定的载荷。

6）载荷保持16h或24h（有预热或后热时）后卸载，如果试棒未断，而采用“断裂准则”，应增加载荷，重复上述试验，直至试棒发生断裂，然后再降低约10MPa的载荷而试棒未发生断裂，此值即为断裂准则的“临界应力”。

如果在规定加载时间（16h或24h），试棒未发生断裂，而采用＂启裂准则＂，应将试棒取下，用金相法放大400～600倍仔细观察试棒的缺口根部是否存在裂纹，或者采用氧化方法将试件加热至300～400℃，保温1h，冷却后给插销施加载荷，使插销脱离底板，检查断口的表面，如有氧化彩色即可判断为在试验中启裂，此时插销试棒所承受的应力即为“启裂准则”的“临界应力”，在试验报告单上应注明“断裂”或“启裂”。我国目前多用“断裂准则”。

插销试验也可用于埋弧焊的冷裂纹测定，插销试棒的形状和尺寸与焊条电弧焊基本相同，只是缺口位置因焊接热输入的增大，也应适当增加a值，底板的形状和尺寸如图2.4-33所示，埋弧焊插销试验的程序与焊条电弧焊时相同。

图2.4-33 埋弧焊插销试验底板形状

（7）拉伸拘束裂纹试验 拉伸拘束裂纹试验（Tensile Restraint Cracking Test，简称TRC试验） 是一种大型定量的评定冷裂纹的试验方法。TRC试验的基本原理是采用恒定载荷来模拟焊接接头所承受的平均拘束应力，当试件焊接之后，冷却到某一温度（一般低合金钢为150～100℃）施加一拉伸载荷，并保持恒载，一般保持24h，如果不裂，则增加试验过程中的恒载，直至产生裂纹或断裂，记录启裂或断裂时间，对应一定时间产生裂纹或断裂的应力，即为对应该断裂时间的临界应力。

TRC试验可以定量分析被焊钢（碳钢和低合金高强度钢等）产生冷裂纹的各种因素，如化学成分、焊缝氢含量、拘束应力、预热、后热及焊接参数等，可以测定出相应条件下产生焊接冷裂纹的临界应力，大吨位的TRC试验机可对厚板多层焊的冷裂纹敏感性进行测试。

TRC试验机的简图如图2.4-34所示。试验机的整套装置包括拉力机、自动送进焊条机、应变仪、传感器和自动记录仪等，其吨位从2×10⁵kN至3×10⁷kN不等。试验用的试件形状和尺寸如图2.4-35所示。在试件两端各用6个高强度螺栓固定在试验机上，根据要求可做成不同形式的坡口，装配间隙为2mm。

图2.4-34 TRC试验机简图

图2.4-35 TRC试验的试件

试验时，首先将所用焊条烘干并测其氢含量；试件装到试验机上要控制好装配间隙，用选定的焊接参数（一般取电流为170A，电压为24V，焊接速度150mm/min）施焊。焊后冷至100～150℃时，施加拉伸载荷，并在试验过程保持恒定（一般为24h）直至发生裂纹或断裂。当拉伸载荷等于或小于某一数值时，就不再发生裂纹或断裂，此时的应力即为“临界应力”。用此评估该钢材的冷裂纹倾向大小。

（8）刚性拘束裂纹试验刚性拘束裂纹试验（Rigid Restraint Cracking Test，简称RRC试验） 是一种大型定量评定钢材冷裂纹倾向的试验方法。它的基本原理是：在焊接接头冷却过程中，以自身收缩产生的应力为基础，模拟焊接接头承受外部拘束条件。试验过程中保持固定的拘束长度，就像两端被固定的接头一样，如图2.4-36所示。因此在试件冷却过程中所产生的拘束反作用力，比较真实地反映焊接接头的受力状态。它比TRC试验的恒载拉伸更为完善，更接近实际情况。

在RRC试验中，当拘束距离为l（mm），板厚为δ（mm），钢材的弹性模量为E（MPa），则拘束度R可按下式计算：

由上式可见，调节拘束距离，就可以得到不同的拘束度。在弹性范围内焊缝处的拘束应力σ_w与拘束度R的关系：

σ_w=mR

式中 m——拘束系数，与钢材的线胀系数、弹性熔点（约600℃）、比热容和接头坡口形式有关，低合金钢焊条电弧焊时，m≈（3～5）×10^-3。

图2.4-36 RRC试验原理

a）两端固定的对接接头 b）限定拘束距离的对接接头

RRC试验设备简图如图2.4-37所示。设备右端为固定夹头，左端为移动夹头，中部装卡试件与传感器联结。此外，还装有动态应变仪和自动记录仪，位移千分表等。试验时，利用装试件两端的定位杆选取不同的拘束距离。在一定拘束距离的试验中，所施加的拉伸拘束应力要满足保持拘束距离的要求。试验时，把试件装在RRC试验机上要严格控制装配间隙。并拧紧夹牢试件的高强度螺栓，然后调定拘束距离，并联好位移传感器（千分表）。按选用的焊条和规定的焊接参数（I=170A，U=24V，v=150mm/min）对试件施焊，焊后电位移传感器给出信号，按拘束距离不变原则施加载荷。在一般情况下保持载荷24h。如不断，再降低拘束距离，直至得出临界拘束距离相对应的临界拘束应力（σ_cr）或临界拘束度（R_cr）为止。以此作为评定该钢材冷裂敏感性定量数据。

RRC试验是目前测试冷裂纹敏感性最为完善的方法。但测试装置复杂，耗费试验钢材多，操作强度大，故未能广泛应用。

图2.4-37 RRC试验设备简图

（9）窗形拘束裂纹试验法 此法主要用于评定碳钢和低合金钢多层焊时焊缝的横向冷裂纹及热裂纹的敏感性，也可作为选择焊接材料和施焊工艺的试验方法。这种试验方法比较接近大型容器（如球罐）的实际焊接生产条件。

图2.4-38为试验用的框架，它由1200mm×1200mm×50mm的低碳钢板组成，立板中央开有320mm×470mm的窗口。试件为两块500mm×180mm的被焊钢板，开X形坡口，如图2.4-38所示。

试验前先将试件焊在窗口部位，然后采用生产上实际选定的焊接参数进行试验焊缝的焊接，用多层焊将X形坡口两面填满焊缝。焊后放置49h以上，然后取下试板用X射线透视。再把试板沿焊缝纵向剖开，经磨片后在纵断面上检查裂纹，如图2.4-38所示。评定方法是以断面上有无裂纹为依据。也可按断面裂纹率进行计算以便作相对比较。

图2.4-38 窗形拘束裂纹试验

a）框架 b）试件形状

（10）十字形接头裂纹试验 用于焊接裂纹敏感性试验，试件形状及尺寸如图2.4-39所示，三块板接触面经过打磨加工，两端用定位焊缝将三块板连接为十字形接头（双T形接头）。按图示顺序焊接四条试验焊缝，焊完一条焊缝，等完全冷却后再焊下一条焊缝。试件在室温放置至少2天后进行去应力退火，退火温度为620℃，保温时间2h。用显微镜检查四条焊缝断面裂纹，一般要求检查5～10个试件，以保证数据可靠。

图2.4-39 十字形接头试件形状及尺寸

3.焊接再热裂纹敏感性试验方法

关于再热裂纹的试验方法目前还没有统一的标准，各国各部门所建立的试验方法很多，但大多都是根据不同钢种、结构的具体情况而制定的，所以都有一定的局限性。这里仅介绍几种常用的试验方法。

（1）斜Y形坡口再热裂纹试验法 这种试验法所用的试件形状和尺寸与冷裂纹试验完全相同（图2.4-17），试验的程序和要求也基本上与冷裂纹试验一样，只是为防止冷裂纹应在焊前预热，焊后经检查无裂纹后再进行消除应力处理，处理的工艺参数一般为500～700℃×2h。然后进行裂纹检测，以裂与不裂为标准，由于这种试验方法比较简单且有较好的再现性，在国内外得到广泛应用。

（2）改进里海（Lehigh）拘束裂纹试验法 这种试验方法的拘束条件与斜Y形坡口试验基本相同，试件的形状及尺寸如图2.4-40所示，为防止冷裂纹，焊前试件应进行预热，试验用焊条应与产品结构相匹配，焊条直径4mm，400℃烘干2h。试验时焊接电流160～170A，焊接速度（150±10）mm/min。焊后放置24h检查无裂纹后，进行消除应力处理，最后将试验焊缝解剖5片，在显微镜下观察裂纹的形态及组织情况，必要时进行裂纹的断口分析，这种试验虽然简单，但试件坡口的机加工要求较高。

图2.4-40 改进的里海试件形状及尺寸

a）试件形状 b）坡口处尺寸

（3）插销式再热裂纹试验法 插销再热裂纹试验是用外加载荷的方法，使焊接热影响区粗晶部位在再热处理过程中由于应力松弛产生蠕变变形，该蠕变变形超过焊接热影响区粗晶部位所具有的塑性时，便产生再热裂纹。

插销式再热裂纹试验的试件形状、尺寸以及试验装置，都与冷裂纹插销试验相同，只是底板由长方形改为圆形，以便放在圆形电炉内再次加热，插销式再热裂纹试验装置如图2.4-41所示。

图2.4-41 插销再热裂纹试验装置

试验时先将插销装在底板上，底板的材质原则上与插销试棒相同，焊条与被试钢材相匹配，400℃烘干2h，焊条直径4mm时，电流160～180A，电压22～24V，焊接速度150mm/min。为保证插销缺口部位不产生冷裂纹，焊前进行适当预热，焊后在室温下放置24h，经检验无裂纹之后，再进行再热裂纹试验。

试验时，先将焊在底板上的插销安装在试验机的水冷夹头上，并留一定间隙，以保证插销再次升温时能自由伸缩，处于无载状态，然后接通电炉，加热至热处理温度（500～700℃），保温约15min使温度均匀，然后按下式加载。

式中 σ₀——T温度下所加的初始应力（MPa）；

R_eL——室温下插销试棒的下屈服强度（MPa）；

E_T——温度T时的弹性模量（MPa）；

E——室温时的弹性模量（MPa）。

当达到σ₀后立即停止增加载荷，在保温恒载的过程中，由于蠕变的发展，施加在插销上的初始应力σ₀将逐渐下降，直至最后断裂。由于再热裂纹试验实质上是一种应力松弛试验，根据大量实验，在热处理温度下，保持载荷120min以上而不发生断裂者就认为该钢种没有再热裂纹倾向。不同温度下，施加的初始应力与断裂所需的时间可以画出该钢种再热裂纹SR温度（℃）-断裂时间（s）的“C”曲线，用以评定再热裂纹倾向。

（4）缺口试棒应力松弛试验试棒加工成如图2.4-42所示的尺寸和形状，在消除应力退火温度下加热，达到稳定的试验温度时，对经过一定模拟热循环的试棒进行加载拉伸，记录加载过程中的应力松弛情况，求得热循环最高温度、应力松弛温度、冷却速度、应力松弛起始应力与应力松弛断裂寿命的关系。

图2.4-42 应力松弛缺口试棒

4.焊接层状撕裂敏感性试验方法

层状撕裂是在厚板平行于轧制方向出现的梯形裂纹，属于较低温度开裂，一般低合金钢撕裂的温度不超过400℃，其主要影响因素是轧制钢材内部存在不同程度的分层夹杂物（特别是硫化物和氧化物夹杂），在焊接时产生垂直于钢板表面的拉应力，致使热影响区附近或稍远的部位，产生呈“台阶”形的层状开裂，并可穿晶扩展。这里介绍常用的几种试验方法。

（1）Z向拉伸试验法 Z向拉伸试验是利用钢板厚度方向的断面收缩率来评定钢材的层状撕裂敏感性，试件的制取部位和形状尺寸如图2.4-43所示，一般情况下，由于钢板的厚度不足，难以制取拉伸试件，因此要在钢板的两面接长（图2.4-43a），被试钢板厚度25mm以上者可采用焊条电弧焊，15mm以上者可采用摩擦焊接长。

像常规拉伸试验一样对试件进行静拉试验，得出Z向断面收缩率ψ（%）作为层状撕裂的评定指标。可以参照日本对低合金钢抗层状撕裂的标准，见表2.4-17。由于这方法比较简单，故在工程上得到广泛应用。

图2.4-43 Z向拉伸试件

a）试件的制取部位 b）试件的形状和尺寸

表2.4-17 抗层状撕裂标准分类

（2）Z向窗口试验法 Z向窗口试验是一种模拟实际层状撕裂受力的试验方法，试件如图2.4-44所示，拘束板的中心开一窗口，将试验板（170mm×150mm×20mm）插入此窗口，其位置如图2.4-44b所示，然后按图2.4-44c的顺序焊4条焊缝，其中1、2为拘束焊缝，3、4为试验焊缝，装配时，应将试验板未加工表面放在试验焊缝一侧。

焊后在室温下放置24h后再切取试片观察层状撕裂，裂纹率按下式计算：

式中 ∑l——各断面上撕裂长度的总和（mm）；

∑L——各断面上焊缝厚度的总和（mm）。

（3）Cranfield试验法 这种试验方法是由英国Cranfield学院提出的，用于评定层状撕裂的敏感性，试件的形状及尺寸如图2.4-45所示，其中水平板为试验板，试验是根据焊道数量的多少和调整预热温度及层间温度来评价层状撕裂敏感性的，例如，预热及层间温度100℃时，寻求产生层状撕裂的临界焊道数目，以此作为评定某钢种层状撕裂的指标。

图2.4-44 Z向窗口试验

a）拘束板 b）试验板位置 c）焊接顺序

1、2—拘束焊缝 3、4—试验焊缝

（4）缺口拉伸试验 其试样如图2.4-46所示，每组为外形相同的两根试棒，其差别仅仅在于φ10mm圆孔与U形缺口之间所构成的剪切面是平行于还是垂直于夹杂物的扁平方向，其中LZ试棒的剪切面平行于夹杂物，LC试棒的剪切面垂直于夹杂物。显然，这两种试棒在拉断时的载荷是不一样的，LZ试棒比LC试棒拉断载荷要小，层状撕裂敏感系数α就以这两个载荷的差别大小为依据：

式中 A——试样断面面积（mm²）；

R_m——L向抗拉强度（MPa）；

P_LC——LC拉断载荷（N）；

P_LZ——LZ拉断载荷（N）。

这种方法比较简便，说明了实际焊接时的层状撕裂倾向大小，但它忽略了焊接热循环和氢的影响。

图2.4-45 Granfield试件的形状及尺寸