国内外金属材料焊缝破坏性试验标准的进展

翟莲娜

(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)

焊接作为金属之间的最重要连接方式之一，已广泛应用于锅炉、船舶、压力容器、压力管道和各种钢结构等。目前，我国焊接材料的产量已达到世界总产量的一半以上，成为世界最大的焊接材料的生产和消费国，焊接行业在国民经济中越来越发挥着重要的作用[1]。由于焊接中焊件结合部分(焊缝)的形成过程涉及到热、应力和显微组织变化，使其往往成为焊接结构中的薄弱环节，故焊缝的试验和检验就成了焊接质量控制和保障的重要手段。焊接件中焊缝金属、热影响区和母材等各处的化学成分、显微组织和应力状态差异很大，传统的拉伸、冲击、硬度、金相等试验方法标准无法直接用于焊接件的检测，为此，需要针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进行专门地规范，并将这些规范形成的标准作为相应的传统拉伸、冲击、硬度、金相等试验方法标准的补充。这些标准与冷裂纹和热裂纹敏感性试验等焊接性试验标准因都涉及到被检样品在检测前进行取样和制样等处理，故被称之为焊缝破坏性试验标准，其与焊缝无损(非破坏性)检测标准一起构成了焊缝的试验和检验标准化体系。

笔者在介绍国内外金属材料焊缝破坏性试验标准化最新进展的基础上，也对其发展趋势进行了阐述。

1 国外金属材料焊缝破坏性试验标准化发展现状

鉴于金属材料焊缝破坏性试验标准的应用十分广泛，国外的主要标准化组织如国际标准化组织(ISO)、美国焊接学会(AWS)、欧洲标准化委员会(CEN)、日本标准学会(JSA)等都设立了专门机构并发布了大量的标准，其中，按照ISO/CEN维也纳协议，ISO焊接标准化技术委员会焊缝试验与检验分技术委员会(ISO/TC44/SC5)与CEN焊接标准化技术委员会焊缝检验工作组(CEN/TC121/WG21)合署办公，共同推进欧洲(EN)标准和ISO标准项目，使得欧洲主要国家的焊缝试验与检验标准与国际标准高度等同，故作者重点介绍ISO,AWS和日本工业标准(JIS)的相关标准。

ISO目前已建立了由17个标准组成的较为完整的焊缝破坏性试验标准体系，涵盖拉伸、冲击、弯曲、断裂、硬度、金相、焊接性试验(冷裂纹、热裂纹敏感性)等常用破坏性试验方法(见图1)，目前现行有效的ISO标准及其对应引用的金属材料试验方法标准见表1。

图1 ISO金属材料焊缝破坏性试验标准体系框架图Fig.1 Frame diagram of ISO standard system for destructivetests on welds in metallic materials

表1 ISO金属材料焊缝破坏性试验标准Tab.1 ISO standards for destructive tests on welds in metallic materials

作为焊接技术和产业全球领先的美国和日本，在焊缝破坏性试验标准方面，无论是标准的数量和覆盖面，还是标准的技术要求都超过ISO标准。美国焊接学会负责的AWS B4.0—2016《焊缝力学性能试验方法》标准涵盖了主要的焊缝破坏性试验方法，其中第4～9章给出了拉伸、角焊缝剪切、弯曲、冲击、动态撕裂、断裂、落锤试验、硬度等试验要求，第10章给出了控制热强度试验(CTS)、插销、里海等焊接性试验要求(见表2)。日本焊缝破坏性试验标准见表3，表2和表3还给出了各自引用的金属材料试验方法标准以及对应的ISO标准。

2 我国金属材料焊缝破坏性试验标准化发展现状

鉴于焊缝破坏性试验标准对焊接技术和产业发展的重要性，1981年我国开始制定焊接接头的冲击、拉伸、弯曲和硬度等相关标准，并逐步开始构建金属材料焊缝破坏性试验标准体系。特别是近些年来，我国加大了国际标准的转化，目前已建立了涵盖拉伸、冲击、弯曲、断裂、硬度、金相、冷裂纹等常用破坏性试验方法国家标准16项(见表4)。此外，GB/T 5482—2007《金属材料动态撕裂试验方法》也适用于测定焊接接头的动态撕裂能和纤维断面率，船舶行业标准也针对船体结构、海洋平台用碳素钢和低合金钢的焊条电弧焊、气体保护焊焊接接头制定了CB/T 4364—2013《斜Y型坡口焊接裂纹试验方法》。

表2 AWS金属材料焊缝破坏性试验标准Tab.2 AWS standards for destructive tests on welds in metallic materials

目前，我国金属材料焊缝破坏性试验标准体系(见图2)与国际标准和国外先进国家的标准相比，仍存在如下不足。

(1) 热裂纹敏感性试验方面的标准处于空白

由于焊接中焊件结合部分(焊缝)的形成过程涉及到热、应力和显微组织变化，使其往往成为焊接结构中的薄弱环节，故焊缝的试验与检验就成了焊接材料研发、焊接工艺评定、焊接质量控制和保障、焊接失效分析等的重要手段。目前我国尚无热裂纹敏感性试验方面的标准，由于热裂纹试验标准的缺失，制约了我国民用航空、核电等行业的发展，故ISO 17641-1:2004和ISO 17641-2:2015两个国际标准的转化制定均被纳入《2017—2020年装备制造业重点领域国际标准转化计划项目》(工业“四基”)中。

表3 JIS主要金属材料焊缝破坏性试验标准Tab.3 JIS main standards for destructive tests on welds in metallic materials

表4 中国的焊缝破坏性试验标准Tab.4 China standards for destructive tests on welds in metallic materials

图2 中国金属材料焊缝破坏性试验标准体系框架图Fig.2 Frame diagram of standard system for destructive tests onwelds in metallic materials in China

(2) 主要标准标龄较长

多数标准发布在2011年以前，拉伸、弯曲、冲击、硬度等焊缝破坏性试验标准更是发布于2008年，存在试验范围窄、可操作性差以及部分描述错误等情况。如拉伸、冲击等常用标准国际上已进行了两轮的修改进程，而我国的拉伸、冲击等标准标龄较长，且与日本、美国的试验方法不完全一致，从而导致了相关国际技术交流和进出口贸易的受阻。

(3) 焊接技术和试验技术的最新发展未能在标准中体现

摩擦搅拌焊、摩擦焊、扩散焊在航天、航空、高铁等领域的应用快速增长[2]，这些焊接新技术对金属材料焊缝破坏性试验的检测提出了新需求，而相关焊缝破坏性试验无标准可依。

3 焊缝破坏性试验标准的发展趋势

国际焊接学会(IIW)2012年白皮书指出：“只要制造产品的材料是可焊的，焊接就是首选的连接技术”，“焊接作为各工业部门扮演关键角色的有效技术，对全球应对制造、基础设施和能源方面的压力和挑战能力的提高至关重要”。在《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》中，提出的重大技术装备16个领域中，有8个领域与焊接技术密切相关。战略性新兴产业中新一代信息技术产业、高端装备制造产业、新材料产业、新能源汽车产业、新能源产业、节能环保产业、相关服务业等7大领域与焊接直接相关。新基建中5G基站建设、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、人工智能、工业互联网等领域也都涉及到连接技术，其中焊接又是优选。

为更好地适应和满足焊接技术和产业发展的需要，焊缝破坏性试验标准的发展将有以下趋势。

(1) 吸收焊接技术和试验技术的最新成果，将焊接新技术的质量评价纳入到焊缝破坏性试验标准中，如ISO 4136:2012仅适用于熔化焊，而ISO/DIS 4136就扩大至包括扩散焊、摩擦焊、摩擦搅拌焊、电子束焊、激光焊等所有对接焊接接头，此外，日本在2016年也发布了JIS Z 3175:2016等。

(2) 细化试验操作程序，降低检测方法的不确定度，如原有的焊缝拉伸、硬度、弯曲等ISO标准中规定的试验温度均为(23±5) ℃，目前，ISO 9015-2:2016，ISO 5178:2019，ISO/DIS 4136等均改为一般情况下10～35 ℃，特殊要求时(23±5) ℃，与其引用的金属材料试验方法标准的试验温度规定一致，既可降低成本、提高效率，又可保证检测质量。

(3) 在当今全球化进程中，技术和贸易往来日益频繁，为使不同试验室的检测结果能实现互认，就要求检测标准的技术要求尽可能一致，目前，欧盟各国的焊缝破坏性试验标准已与ISO完全等同，我国标准与ISO的技术要求也基本一致，此外，ISO在焊缝破坏性试验标准的制修订中也在积极采纳日本和美国标准的新内容。

(4) 高新技术的发展，特别是战略性新兴产业的发展，对焊接质量和安全可靠性的要求不断提升，焊接裂纹敏感性方面的检测方法标准不断完善和充实，如AWS B4.0中焊接裂纹敏感性试验方法已扩充至9种。

4 对我国金属材料焊缝破坏性试验标准发展的建议

为构建和完善适应战略性新型产业发展、满足制造产业升级的金属材料焊缝破坏性试验标准体系，建议从以下4个方面开展工作。

(1) 填补国内热裂纹试验标准空白。通过制定我国的焊接热裂纹标准，填补这一方面国内的空白，从而促进航空、航天、核电、燃气轮机等领域对高性能焊接材料的研发，加速解决重要关键材料被“卡脖子”的现状。

(2) 不断完善和优化已有的但又与技术和产业发展不适应的标准。进行相应标准的复查修订，以适应新技术和新产业的发展，提高标准的现行有效性，降低试验成本。

(3) 扩大标准在摩擦焊、摩擦搅拌焊、扩散焊等焊接新技术领域的应用。通过对摩擦焊、摩擦搅拌焊、扩散焊、电子束焊、激光焊等焊接新技术新工艺中焊缝强度、韧性和硬度表征方法的研究，完善我国焊缝破坏性试验方法标准体系，从而促进这些焊接新技术的应用和自身发展，加速我国新能源、新能源汽车、高端装备制造业和新材料等相关战略性新兴产业的发展壮大。

(4) 优化标准试验条件以降低试验成本和增进检测结果的互认性。如，试验温度对焊缝力学性能有一定的影响，特别是对焊接接头拉伸试验结果和结果的不确定度，为此，优化标准试验条件，简化试验条件和操作的难度系数，可大幅度地降低试验成本。

5 结束语

随着我国从制造业大国向着制造强国迈进，焊接技术在民用航空、核电、新能源汽车、城市轨道交通等领域的应用愈来愈广泛。为更好地适应和满足焊接技术和产业发展的需要，需加快我国焊缝破坏性试验标准体系的健全和完善。通过构建和完善与国际接轨的标准体系，将有利于加快我国焊接技术和产业的国际化进程，推动国内焊接产业检测技术升级和提升产品国际竞争力，同时降低产品制造成本，扩大国外市场，加速我国在焊接相关领域从制造和消费大国向强国的迈进。