材料焊接性---实验

第三部分高级电焊工知识要求第二十六章焊接接头试验方法第一节焊接性试验方法一、焊接冷裂纹试验方法1、间接评定方法根据焊件材料的化学成分或焊接接头热影响区的最高硬度，进行材料冷裂纹的评定方法，叫间接评定法。

1）碳当量法将钢中合金元素（包括碳）的含量按其作用换算成碳的相当含量，叫该种材料的碳当量，常以符号C E表示。

国际焊接学会推荐的碳当量计算公式为：C E=C+Mn/6+（Ni+Cu）/15+（Cr+Mo+V）/5 （%）碳当量C E值愈高，钢材淬硬倾向愈大，冷裂敏感性也愈大。

经验指出，当C E>0.45％～0.55%时，就容易产生冷裂纹。

利用碳当量只能在一定范围内，对钢材概括地、相对地评价其冷裂敏感性，因为：①碳当量公式是在某种试验情况下得到的，所以对钢材的适用范围有限。

②碳当量计算值只表达了化学成分对冷裂倾向的影响。

实际上，除了化学成分以外，冷却速度对冷裂的影响相当大，不同的冷却速度，可以得到不同的组织，因而抗裂性也不一样。

确切地说，在刚性和扩散氢含量相同的情况下，应当主要是钢材的组织而不是碳当量确定冷裂敏感性。

③影响金属组织从而影响冷裂敏感性的因素，除了化学成分和冷却速度外，还有焊接热循环中的最高加热温度和高温停留时间等参数。

此外，钢材规定成分中没有表明微量合金元素和杂质元素的影响，也没有在碳当量计算公式中表示出来。

因此说，碳当量公式不能作为准确的评定指标。

（2）根部裂纹敏感性评定法这是专门评定根部裂纹的碳当量法，根据裂纹敏感指数P cM进行评定，计算公式为P Cm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Cr/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B （%）钢的P cM值越低，热影响区的冷裂纹敏感性越低。

为了克服单纯用碳当量评定冷裂倾向的缺点，可以进一步把氢和板厚（代表应力）作为延迟裂纹的三因素综合一起考虑，得到冷裂纹敏感性指数P w，其计算公式为P w= P Cm+δ/600+H/60 （%）式中δ——板厚，mm；H一焊缝金属中扩散氢含量，mL／100g。

（3）热影响区最高硬度法（GB4675.5－84）试件的形状和尺寸，分别见图26—1和表26—1。

（P266）试件的标准厚度为20mm。

1号试件在室温下，2号试件在预热温度下进行焊接。

焊后经12h，加工成如图26—2（P266）试样，在切点O及其两侧各7个以上的点作为硬度的测定点。

把点中维氏硬度最大值与该钢材规定的热影响区最大允许值作比较，若超过允许值，则材料冷裂敏感倾向大。

这种方法比较简便，对于判断热影响区冷裂倾向有一定价值。

但它只考虑了组织因素，没有涉及氢和应力，所以不能借以判断实际焊接产品的冷裂倾向，仅适用于相同试验条件下不同母材冷裂倾向的相对比较。

1、直接试验方法可分为两大类。

一类是自拘束试验，即试件焊接时，由试件本身的刚性而产生的拘束应力，试验时不必另外施加外载；另一类是外拘束试验，试验时外加巨大的拘束应力，来模拟焊接接头施焊时的应力状态、应变状态，甚至氢和组织状态。

（1）冷裂纹的自拘束试验l）斜y形坡口焊接裂纹试验方法（GB4675.1－84）又称小铁研法适用于板厚≥12mm的冷裂纹及再热裂纹抗裂性能试验。

试件的形状及尺寸，见图26—3（P267）。

试验条件及步骤：先将两端的固定焊缝焊好，再焊试验焊缝；单焊道，焊条直径Φ4，焊接规范为I=170A，U=26V，v=150mm／min。

焊后室温放置24h后，用肉眼或磁粉检查表面裂纹，然后沿垂直焊缝方向取五个横截面，检查内部裂纹。

评定方法：表面裂纹率=Σι/L×100％断面裂纹率＝Σh/H×100％L为焊缝长度，Σι为裂纹总长度，H为焊肉厚度，Σh为裂纹总深度，见图26—4（P267）。

试验时需采用低氢型焊条，焊接试验焊缝时引弧、熄弧位置见图26—5、图26—6（P267）。

2）搭接接头（CTS）焊接裂纹试验方法（GB4675.2－84）本试验适用于低合金钢焊接热影响区，由于马氏体转变而引起的裂纹试验。

此方法未能推广使用。

3）T型接头焊接裂纹试验方法（GB4675.3—84）本试验适用于碳钢T形接头角焊缝的裂纹试验。

(2)冷裂纹的外拘束试验。

1）插销式试验本方法主要用来评价氢致延迟裂纹中的焊根裂纹。

插销试验施焊时焊缝位置见图26—9（P268）。

施焊完毕待焊件冷却到150℃时插销加载并保证插销在熔合线附近的粗晶区即插销的缺口尖端断裂，记录加载至断裂的时间。

若插销刚好永不断裂，这个应力值就称为临界应力。

这是一个衡量氢致裂纹敏感性的定量指标。

临界应力愈大，氢致裂纹敏感性愈小。

一般认为，恒应力之下48h，甚至24h不断裂，这时的应力就定为临界应力。

插销试验包括了氢致延迟裂纹的三大要素：组织、氢和应力。

2）拉伸拘束裂纹试验（TRC）本试验方法主要用来研究焊缝根部的冷裂纹，如图26—10(P269)所示。

试验时，对接试板在不加拉力的自由状态下焊接，焊后立即在焊缝横向施加一个选定的拉伸载荷，保持此载荷恒定不变，直到发生裂纹和断裂拉伸。

应力越小，裂纹开始发生所需时间越长。

当拉伸应力达到某一数值时，不再产生裂纹，此时的拉伸应力为临界应力。

临界应力值越大，氢致裂纹敏感性愈小。

3）刚性拘束裂纹试验（RRC）本试验用来研究高强度钢的延迟裂纹。

试验时将试样一端固定在夹头上，另一端固定在移动夹头上，焊接过程中要保持两固定端之间的距离L不变（即刚性拘束）。

L越大时，焊缝拘束应力降低，产生裂纹所需的时间也越长；当L为某一数值时，就不再出现裂纹，此时的拘束应力值为临界拘束应力。

RRC与TRC不同之处在于固定条件不同，所以RRC试验不仅可以用来研究延迟裂纹，还可以研究焊接接头冷却过程中产生的各种裂纹现象。

二、焊接热裂纹试验方法1、压板对接（FISCO）焊接裂纹试验方法（GB4675.484）本试验方法适用于低碳钢和低合金高强度钢焊条、不锈钢焊条的焊接热裂纹试验。

试件由两块200mm×120mm的钢板组成，坡口形状为I型，将试件安装在如图26—11(P269)的装置内，固定F1、F2。

在试件上顺次焊接四条长约40mm的试验焊缝，焊缝间距为10mm，焊接弧坑不填满。

焊后立即从装置中取出试件，待冷却后对焊缝进行轴向弯断，观察断面有无裂纹及测量裂纹长度。

2、环形镶块裂纹试验方法试板尺寸及加工固定方式见图26—12(P270)。

在圆孔中央镶入另一块圆板，此圆板与圆孔间保持准确地3.2mm的间隙，可用不加填充焊丝的钨极氩弧焊熔焊一圈而形成对接环缝。

待试件冷却后，根据未产生明显裂纹的圆周角θ1来评定热裂纹敏感性。

θ1值愈大，抗裂性越好。

3、可变拘束试验方法试验装置示意图见图26—13（P270）。

当电弧经过图中A点时，利用一强有力的气压压头在试板左端施加压力F，使试板急剧地向下弯。

B是具有圆弧形表面的模块，试板被压弯后贴在模块表面，形成一定的弯曲半径，电弧继续前进至C处熄弧。

试板弯曲后，上表面产生纵向应变值ε，更换不同曲率半径的模块，可改变试板表面的拘束程度。

卸下试板后，检查焊缝表面和热影响区的裂纹。

试验中，如果是测定母材的热裂纹敏感性，可用不加填充焊丝的钨极氩弧焊熔敷焊道，如果是测定焊缝的热裂纹敏感性，则可用全熔质金属做成试件，再用不加填充焊丝的钨极氩弧焊熔敷焊道。

如果是测定焊接材料与母材配合性能，则可用需要测定的焊接材料和母材，以及打算采用的焊接方法进行试验。

4、鱼骨状可变拘束裂纹试验方法本试验方法适用于检测铝合金薄板的热裂纹敏感性，以及选用焊丝材料。

试件形状和尺寸见图26—14（P270）。

从A端到B端切口长度依次递增，拘束度逐渐减小。

焊接从A点开始，沿中心线向B点前进。

一般说来，焊炬到达某一位置以后裂纹就开始产生，随着焊件拘束度的逐渐减小，裂纹逐渐停止扩展，测量整个焊缝中裂纹长度作为裂纹敏感性的评定指标。

三、焊接再热裂纹试验方法l、间接评定方法钢中的合金元素对钢材的再热裂纹敏感性有很大影响，尤其是铬、钼、钒、铌、钛等，都具有增加钢材再热裂纹倾向的作用。

根据合金元素的影响作用，可以用类似碳当量的公式，间接的评定材料对再热裂纹的敏感性。

（1）日本中村关系式ΔG=Cr＋3.3Mo＋8.1V—1.39（％）式中ΔG一再裂纹敏感性指数。

ΔG＞0时，再热裂纹敏感性较强。

通常，对于HT50级（日本钢号，相当于500MPa级）的合金结构钢：ΔG=-1.4～-1.0。

对于HT60级（日本钢号，相当于600MPa级）的高强度结构钢：ΔG=-1.4～0.6。

（2）日本伊藤关系式Ps R=Cr＋Cu＋2Mo＋7Nb十5Ti-2（％）式中Ps R一再热裂纹敏感系数。

Ps R≤0时，再热裂纹敏感性不强。

此式适用于低合金结构钢，采用重量百分比计算，但不适用于含Cr量大于1.5％的钢。

上述两公式只能对钢材的再热裂纹作一个粗略的预测。

一些主要合金元素的影响作用仅是一个方面，还有许多其它的影响因素。

因此，单凭Ps R或ΔG就断定钢种对再热裂纹是否敏感是不充分的。

例如：合金元素铬的影响就有特殊之处：当Cr＜1%时，随着Cr含量增加，再热裂纹敏感性也增加；而当Cr＞l%时，则随着Cr含量的增加，却导致再热裂纹敏感性下降。

2、直接试验方法（1）斜y形坡口焊接裂纹试验方法试件尺寸及焊接工艺参数与冷裂敏感性测定方法相同。

不过，试验时必须有足够的预热温度，以保证不产生冷裂纹。

焊后还须进行消除应力热处理。

试件消除应力以后冷却至室温，再横跨焊缝把试件切成6个试片，检查裂纹情况。

（2）平板对接刚性板拘束法试件的坡口形式及尺寸见图26—15（P271）。

本试验方法通过变化拉紧焊缝的尺寸，按裂纹的严重程度，可对不同钢种的再热裂纹敏感性作定性的比较。

通过改变消除应力热处理的参数及焊接材料、焊接工艺，可以得出影响产生再热裂纹的因素，从而探索防止产生再热裂纹的可能性。

（3）反面拘束焊条再热裂纹试验试件的形状和尺寸见图26—16（P271）。

按照试验焊道处坡口形式的不同，可分为T形试板和Y形试板两种。

在如图所指示的位置先焊试验焊缝，随后再焊接拘束焊缝。

在保证没有冷裂纹的前提下，进行消除应力处理。

然后观察是否产生再热裂纹。

这样可以在不同母材、不同焊接材料、不同焊接条件，以及不同应力释放时的加热速度、温度和保温时间等情况下，确定在多少拘束焊道数目时引发再热裂纹。

拘束焊缝能够达到的数目愈多，拘束程度愈严重，则表示再热裂纹敏感性愈小。

这样，可以以“拘束焊道数”作为定量指标确定不同材料及其它情况的再热裂纹倾向。

四、层状撕裂试验方法1、Z向窗口试验这是一种模拟实际焊接结构的层状撕裂试验方法，试件的外形和尺寸，见图26—17（P272）。

然后按图中顺序焊四条角焊缝，其中1和2为拘束焊缝，3和4为试验焊缝。