试验温度对金属材料焊接接头拉伸试验结果的影响

2020-12-25金静静

理化检验(物理分册) 2020年12期

金静静

(1.上海材料研究所, 上海 200437; 2.上海市工程材料应用与评价重点实验室, 上海 200437)

焊接是现代工业不可或缺、应用最广泛的连接技术，作为制造流程后期的组装工序之一，其对产品的最终质量具有决定性影响。拉伸试验是评价金属材料焊接接头焊缝力学性能最有效的一种试验方法，试验中弹性变形、塑性变形、断裂等各阶段真实反映了材料抵抗外力作用的全过程，再加上简单易行、试样制备方便等特点，使得拉伸试验在焊接设计和选材、新材料研制、焊接工艺评定、失效分析等领域中得到广泛应用[1-3]。

由于焊接件中焊缝金属、热影响区和母材等各处的应力相差很大，因此ISO 6892-1MetallicMaterials—TensileTesting—Part1:MethodofTestatRoomTemperature,GB/T 228.1《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》等传统的金属材料拉伸试验方法标准不适用于焊接件[4-6]。因此，国标委发布了专门的焊接接头相关试验标准，对焊接样品取样方向和部位、试样制备、检测位置和检测步骤等内容进行了详细的规定，将其作为ISO 6892-1：2016,GB/T 228.1—2010等金属材料拉伸试验方法标准的补充。目前国内外焊接接头拉伸试验的标准中对室温试验温度的规定并不一致。为此，笔者对比了国内外焊接接头拉伸试验标准中对室温拉伸试验温度的要求，选取Q355B钢焊接接头在不同温度下进行了横向拉伸试验，分析温度对试验结果的影响，并提出了对我国相关标准的修订建议。

1 国内外焊接接头拉伸试验标准中室温试验温度的要求

1.1 国外相关标准

国外标准中涉及焊接接头拉伸试验的标准主要有国际标准化组织(ISO)标准、美国标准、日本标准、欧盟标准等，由于ISO与欧洲标准化委员会(CEN)达成的《维也纳协议》中“尽一切可能确保国际标准和欧洲标准的相等”原则的实施，目前欧盟(EN)和ISO焊接接头试验标准已高度等同。因此，笔者主要分析目前应用较多的ISO、美国焊接协会(AWS)和日本的焊接接头拉伸试验标准中对室温试验温度要求的区别，见表1。作为对比，表1也给出了对应的金属材料拉伸试验标准中关于室温试验温度的规定。

表1 国外焊接接头拉伸试验标准中对试验温度的要求Tab.1 Test temperature requirements of tensile test standards for welded joints in foreign

1.2 我国相关标准

表2给出了我国现行焊接接头拉伸试验国家标准、金属材料拉伸试验标准以及相关焊接规范和工艺评定标准对试验温度的规定。

表2 中国焊接接头拉伸试验标准中对试验温度的要求Tab.2 Test temperature requirements of tensile test standards for welded joints in domestic

1.3 试验温度要求分析

由表1和表2可知，国内外焊接接头拉伸试验标准中对室温试验温度的要求主要有3种。

(1) 试验应在室温(23±5) ℃条件下进行。该要求最为严格，需要专门的温度控制设备来确保试验温度为(23±5) ℃。采用该要求的标准主要有ISO 4136:2011，GB/T 2651—2008，GB/T 2652—2008和按照GB/T 2651—2008进行试验的GB 50661—2011等。

(2) 试验应在室温10～38 ℃(50～100 ℉)条件下进行。该要求相对宽松，多数情况下无需温度控制设备即可满足要求。采用该要求的标准主要有ASTM E8/E8M—16a和按照ASTM E8进行试验的AWS B4.0:2016。考虑到华氏度与摄氏度的换算，可认为其与其他标准中室温10～35 ℃的要求是等效的。

(3) 试验一般在室温10～35 ℃范围内进行，在控制条件下进行的试验，试验温度应为(23±5) ℃。该要求介于上述两者之间，也较为宽松，多数情况下无需温度控制设备即可满足要求。采用该要求的标准主要有ISO 6892-1: 2016，GB/T 228.1—2010、采用GB/T 228.1进行试验的NB/T 47014—2011和SY/T 0452—2012，JIS Z 3121: 2013和JIS Z 2241—2011等。

2 试验和结果

为了分析和验证试验温度对金属材料焊接接头室温拉伸性能的影响，笔者于3家试验室，分别在10，23，35 ℃条件下进行了金属材料焊接接头采用横向拉伸试验。试验用焊接试板母材为Q355B钢，直径为1.2 mm的ER50C6焊丝，焊接方式为二氧化碳气体(纯度100%)保护焊。按照GB/T 2651—2008要求制备焊接接头拉伸试样，考虑到需使用恒温环境箱精确控制试验温度，为便于装夹，拉伸试样选取圆棒状，具体尺寸如图1所示，试验结果见表3。试验温度为10 ℃时，其抗拉强度为558 MPa；试验温度为23 ℃时，其抗拉强度为549 MPa；试验温度为35 ℃时，其抗拉强度为543 MPa。

图1 Q355B钢焊接接头拉伸试样尺寸示意图Fig.1 Dimension diagram of tensile sample of Q355B steel welded joint

表3 不同温度下Q355B钢焊接接头拉伸试验结果Tab.3 Tensile test results of Q355B steel welded joints at different temperatures

3 分析与讨论

为了便于分析，笔者查阅了相关金属材料拉伸试验标准中根据试验室间比对结果给出的抗拉强度精密度数据，见表4。

表4 抗拉强度精密度Tab.4 Accuracy of the tensile strength

结合表3和表4分析如下。

(1) 同温度下试验室内Q355B钢焊接接头拉伸试验结果的重复性较好，试验结果最大差值仅为5 MPa，相对值之差为0.9%，小于表4给出的相对重复性限1.9%。

(2) 同温度下不同试验室间拉伸强度平均值最大相差22.5 MPa，相对值之差为4%，介于表4给出的S355钢相对再现性限2.4%和ASTM A05相对再现性限4.1%之间。考虑到ISO 6892-1:2016和ASTM E8/E8M—16a均为金属材料拉伸试验标准，标准中的再现性数据是使用标准物质(标准样品)获得的，其样品均匀性远高于该次试验样品均匀性，因此可认为该次试验得到的试验室间拉伸试验结果之差与标准规定的再现性限相当。

(3) 10 ℃和35 ℃试验温度下抗拉强度平均值之差为15 MPa，相对值之差为2.7%，这一结果大于标准规定的相对重复性限，小于标准规定的相对再现性限，说明10～35 ℃条件下焊接接头抗拉强度随温度的升高而降低，但降低并不显著，要求不高时可忽略。结合试验成本、效率和准确度方面综合考量，焊接接头室温拉伸试验温度规定为“除非另有规定，室温试验应在10～35 ℃条件下进行；对于温度要求严格的试验，试验温度应为(23±5) ℃”较为合理。

表5给出了ISO 5178DestructiveTestsonWeldsinMetallicMaterials-LongitudinalTensileTestonWeldMetalinFusionWeldedJoints的两个版本关于试验温度规定的变化，现行版本ISO 5178:2019关于试验温度的规定已与ISO 6892-1:2016一致，这也说明根据试验需要分别规定焊接接头拉伸试验温度较为合理。