1、焊接性及其试验评定焊接性及其试验评定v科学研究和工程实践表明，某些材料具有较高的强度、塑性和耐蚀性等，但用这些材料制造结构时却发现，它们在焊接加工时可能出现裂纹、气孔、夹渣等缺陷，大大限制了这些材料的使用范围。单从材料本身的化学成分、物理性能和力学性能，不足以判断它在焊接过程中可能出现的问题，这就要求从焊接性的角度出发来分析和研究材料的某些特定的性能。v2.1 焊接性及影响因素焊接性及影响因素v2.1.1 焊接性概念焊接性概念v定义: 焊接性是指同质材料或异质材料在制造工艺条件下，能够焊接形成完整接头并满足预期使用要求的能力。换句话说，焊接性是材料焊接加工的适应性，指材料在一定的焊接工艺条件下
2、（包括焊接方法、焊接材料、焊接参数和结构形式等），获得优质焊接接头的难易程度和该焊接接头能否在使用条件下可靠运行。 v材料焊接性的概念有两个方面的内容：v一是材料在焊接加工中是否容易形成接头或产生缺陷； v二是焊接完成的接头在一定的使用条件下可靠运行的能力。v研究焊接性的目的：目的在于查明一定的材料在指定的焊接工艺条件下可能出现的问题，以确定焊接工艺的合理性或材料的改进方向。 v1工艺焊接性和使用焊接性v工艺焊接性就是一定的材料在给定的焊接工艺条件下对形成焊接缺陷的敏感性，涉及焊接制造工艺过程中的焊接缺陷问题，如裂纹、气孔、断裂等。v使用焊接性指一定材料在规定的焊接工艺条件下所形成的焊接接头适
3、应使用要求的能力，涉及焊接接头的使用可靠性问题。 v焊接过程是一个独特的“小冶金”过程，在熔化焊的条件下，焊缝和热影响区经历了复杂但有规律的焊接热循环。 v从理论上分析，任何金属或合金，只要在熔化后能够互相形成固溶体或共晶，都可以经过熔焊形成接头。同种金属或合金之间可以形成焊接接头，一些异种金属或合金之间也可以形成焊接接头，但有时需要通过加中间过渡层的方式实现焊接。v 2冶金焊接性和热焊接性v对于熔焊来说，焊接过程一般包括冶金过程和热过程这两个必不可少的过程。在焊接接头区域，冶金过程主要影响焊缝金属的组织和性能，而热过程主要影响热影响区的组织和性能。 v(1) 冶金焊接性 冶金焊接性是指熔焊高
4、温下的熔池金属与气相、熔渣等相之间发生化学冶金反应所引起的焊接性变化。这些冶金过程包括：合金元素的氧化、还原、蒸发，从而影响焊缝的化学成分和组织性能；氧、氢、氮等的溶解、析出对生成气孔或对焊缝性能的影响；在焊缝结晶及冷却过程中，由于焊接熔池的化学成分、凝固结晶条件以及接头区热胀冷缩和拘束应力等影响，有时产生热裂纹或冷裂纹。 v(2) 热焊接性 焊接过程中要向接头区域输入很多热量，对焊缝附近区域形成加热和冷却过程，这对靠近焊缝的热影响区的组织性能有很大影响，从而引起热影响区硬度、韧性、耐蚀性等的变化。与焊缝金属不同，焊接时热影响区的化学成分一般不会发生明显的变化，而且不能通过改变焊接材料来进行调
5、整，即使有些元素可以由熔池向熔合区或热影响区粗晶区扩散，那也是很有限的。为了改善热焊接性，除了选择母材之外，还要正确选定焊接方法和热输入。 v2.1.2 2.1.2 影响焊接性的因素影响焊接性的因素v影响焊接性的四大因素是材料、设计、工艺及服役环境。v 1材料因素v材料因素包括母材本身和使用的焊接材料，母材或焊接材料选用不当时，会造成焊缝成分不合格、力学性能和其他使用性能降低，甚至导致裂纹、气孔、夹渣等焊接缺陷，也就是使工艺焊接性变差。因此，正确选用母材和焊接材料是保证焊接性良好的重要因素。 v2设计因素v对体积和重量有要求的焊接结构，设计中应选择比强度较高的材料，如轻合金材料，以达到缩小体积
6、、减轻重量的目的。对体积和重量无特殊要求的焊接结构，选用强度等级较高的材料也有其技术经济意义，不仅可减轻结构自重，节约大量钢材和焊接材料。v焊接接头的结构设计会影响应力状态，设计结构时应使接头处的应力处于较小的状态，能够自由收缩，这样有利于减小应力集中和防止焊接裂纹。 v3工艺因素v对于同一种母材，采用不同的焊接方法和工艺措施，所表现出来的焊接性有很大的差异。例如，铝及其合金用气焊较难进行焊接，但用氩弧焊就能取得良好的效果 。发展新的焊接方法和新的工艺措施是改善工艺焊接性的重要途径。 v焊接方法对焊接性的影响首先表现在焊接热源能量密度、温度以及热量输入上，其次表现在保护熔池及接头附近区域的方式
7、上。 v工艺措施对防止焊接缺陷，提高接头使用性能有重要的作用。最常见的工艺措施是焊前预热、缓冷和焊后热处理。v 4服役环境v焊接结构的服役环境多种多样，如工作温度高低、工作介质种类及辐射等都属于环境条件。高温工作的焊接结构，要求材料具有足够的高温强度，良好的化学稳定性；常温下工作的焊接结构，要求材料在自然环境下具有良好的力学性能；工作温度低或载荷为冲击载荷时，要注意材料在最低环境温度下的性能，尤其是韧性。 v总之，焊接性与材料、设计、工艺和服役环境等因素有密切关系，人们不可能脱离这些因素而简单地认为某种材料的焊接性好或不好，也不能只用某一种指标来概括某种材料的焊接性。各种金属材料焊接的难易程度
8、见表2-1。常用金属材料焊接中可能出现的问题见表2-2。 v表2-1 各种金属材料焊接难易程度一览表v注：A通常采用，B有时采用，C很少采用，D不采用v表2-2常用金属材料焊接中的问题 v2.2 2.2 焊接性试验的内容及评定原则焊接性试验的内容及评定原则v2.2.1 2.2.1 焊接性试验的内容焊接性试验的内容v从获得完整的和具有一定使用性能的焊接接头出发，针对材料的不同性能特点和不同的使用要求，焊接性试验的内容有以下几种。v1焊缝金属抵抗产生热裂纹的能力v热裂纹是一种经常发生又危害严重的焊接缺陷，热裂纹的产生与母材和焊接材料有关。焊缝熔池金属在结晶时，由于存在S、P等有害元素（如形成低熔点
9、的共晶物） 并受到较大热应力作用，可能在结晶末期产生热裂纹，这是焊接中必须避免的一种缺陷。焊缝金属抵抗产生热裂纹的能力常常被作为衡量金属焊接性的一项重要内容。通常通过热裂纹敏感指数和热裂纹试验来评定焊缝的热裂纹敏感性。v2焊缝及热影响区抵抗产生冷裂纹的能力v冷裂纹在合金结构钢焊接中是最为常见的缺陷，这种缺陷的发生具有延迟性并且危害很大。在焊接热循环作用下，焊缝及热影响区由于组织、性能发生变化，加之受焊接应力作用以及扩散氢的影响，可能产 生冷裂纹（或延迟裂纹），这也是焊接中必须避免的严重缺陷，常被作为衡量金属焊接性的重要内容。一般通过间接计算和焊接性试验来评定冷裂纹敏感性。v3焊接接头抗脆性断裂
10、的能力v由于受焊接冶金反应、热循环、结晶过程的影响，可能使焊接接头的某一部分或整体发生脆化（韧性急剧下降），尤其对在低温条件下使用的焊接结构影响更大。对于在低温下工作的焊接结构和承受冲击载荷的焊接结构，经冶金反应、结晶、固态相变等过程，焊接接头由于受脆性组织、v硬脆的非金属夹杂物、热应变时效脆化、冷作硬化等作用的结果，发生所谓的焊接接头脆性转变。所以焊接接头抗脆性断裂（或抗脆性转变）的能力也是焊接性试验的一项内容。v4焊接接头的使用性能v根据焊接结构使用条件对焊接性提出的性能要求来确定试验内容，包括力学性能和产品要求的其他使用性能，如不锈钢的耐腐蚀性、低温钢的低温冲击韧性、耐热钢的高温蠕变强度
11、或持久强度等。 合金结构钢焊接性分析时应考虑的问题见表2-3。表2-3 合金结构钢焊接性分析时应考虑的问题v2.2.22.2.2 评定焊接性的原则评定焊接性的原则v评定焊接性的原则主要包括：一是评定焊接接头产生工艺缺陷的倾向，为制定合理的焊接工艺提供依据；二是评定焊接接头能否满足结构使用性能的要求。v(1) 可比性可比性 焊接性试验条件应尽可能接近实际焊接时的条件，只有在这样有可比性的情况下，才有可能使试验结果比较确切地反映实际焊接结构的焊接性本质。 v(2) 针对性针对性 所选择或自行设计的试验方法，应针对具体的焊接结构制定试验方案，其中包括母材、焊接材料、接头形式、接头应力状态、焊接工艺参
12、数等。同时试验条件还应考虑到产品的使用条件。这样才能使焊接性试验具有良好的针对性，试验结果才能比较确切地反映出实际生产中可能出现的问题。v v(3) 再现性再现性 焊接性试验的结果要稳定可靠，具有较好的再现性。实验数据不可过于分散，否则难以找出变化规律和导出正确的结论。严格试验程序，防止随意性。 v(4) 经济性经济性 在符合上述原则并可获得可靠的试验结果的前提下，应力求做到消耗材料少、加工容易、试验周期短，以节省试验费用。 v2.2.3 2.2.3 焊接性评定方法分类焊接性评定方法分类v1 1模拟类方法模拟类方法v这类焊接性评定方法一般不需要进行实际焊接，只是利用焊接热模拟装置，模拟焊接热循
13、环，人为制造缺口或电解充氢等，估价材料焊接过程中焊缝或热影响区可能发生的组织性能变化和出现的问题，为制定合理的焊接工艺提供依据。这类方法与实际焊接相比有一些差别，因为很多条件被简化了。v属于这一类方法的主要有：热模拟法、焊接热-应力模拟法等。 v焊接热模拟技术是材料焊接性研究的重要手段之一，特别是在测定焊接热影响区连续冷却组织转变图（SHCCT图）和研究焊接冷裂纹倾向、脆化倾向等方面具有十分重要的作用。v热模拟试验机能够模拟不同焊接方法和焊接工艺参数下的主要热循环参数，如加热速度（H）或加热时间（t）、最高温度（Tp）、高温停留时间（tH）、冷却速度（c）或冷却时间（t8/5）等。 v利用热模
14、拟试验机可开展下列研究工作：v1）建立模拟焊接热影响区的连续冷却组织转变图（SHCCT）。 2）研究焊接热影响区不同区段（尤其是过热区）的组织与性能。 3）定量地研究冷裂纹、热裂纹、再热裂纹和层状撕裂的形成条件及机理。 4）模拟应力应变对组织转变及裂纹形成影响的规律。v例如，对低合金高强钢作焊接热裂纹模拟试验，采用带缺口的试样，参照图2-1所示的焊接消除应力的试验程序进行模拟试验。先进行峰值温度为1350的焊接热循图2-1 焊后热处理及再热裂纹试验程序 a) 温度循环 b) 应变循环 c) 应力循环 v环（包括给定的冷却时间t8/5），当试样冷却到一定温度（如1100）时，使试样卡盘距离保持不
15、变，在达到规定的负载值后转换成定应变控制。然后在试样温度达到室温时，将试样在30min内升高到焊后热处理温度，保持一定时间不变，此时转为定应变控制。对卸载后的试样用显微镜检查，观察有无裂纹发生。 v2实焊类方法v这类方法是比较直观地将施焊的接头甚至产品在使用条件下进行各种性能试验，以实际试验结果来评定其焊接性。 v试验方法主要有：裂纹敏感性试验、焊接接头的力学性能试验、低温脆性试验、断裂韧性试验、高温蠕变及持久强度试验等。v3理论分析和计算类方法v(1) 利用物理性能分析。材料的熔点、热导率、线膨胀系数、密度和热容量等，都会对焊接热循环、熔化结晶、相变等产生影响，从而影响焊接性。v(2) 利用
16、化学性能分析。与氧亲和力强的材料（如铝、镁、钛等）在焊接高温下极易氧化，需要采取较可靠的保护方法，如采 v用惰性气体保护焊或真空中焊接等，有时焊缝背面也需要保护。v(3) 利用状态图或SHCCT图分析。合金状态图和焊接连续冷却组织转变图（SHCCT）反映了焊接热影响区从高温连续冷却时，热影响区显微组织和室温硬度与冷却速度的关系。利用状态图和热影响区SHCCT图可以方便地预测热影响区组织、性能和硬度变化，预测某种钢焊接热影响区的淬硬倾向和产生冷裂纹的可能性。同时也可以作为调整焊接热输入、改进焊接工艺的依据。v图2-3给出的是成分相当于Q295钢热影响区CCT图的临界冷却曲线和临界冷却时间Cz、C
17、f、Cp、Ce。图中的Cz、Cf、Cp、Ce分别表示从A3温度冷却到500开始出现中间组织、铁素体、珠光体，以及仅得到铁素体和珠光体组织的临界冷却时间（s）。Cz、Cf、Cp、Ce分别是由通过z、f、p、e点的临界冷却曲线与500等温线的交点Cz、Cf、Cp、Ce向时间坐标轴投影得到的时间值。只要知道在实际焊接过程中热影响区所要研究图2-3 Q295钢热影响区CCT图的临界冷却曲线和临界冷却时间 v部位的金属从800冷却到500的时间t8/5，对照临界冷却时间，就可以判断热影响区的显微组织。v(4) 利用经验公式。这是一类在生产实践和科学研究的基础上归纳总结出来的理论计算方法。v由于是经验公式
18、，这些方法的应用是有条件限制的，而且大多是间接、粗略地估计焊接性问题。属于这一类的方法主要有：碳当量法、焊接裂纹敏感指数法、热影响区最高硬度法等。 v2.3 焊接性焊接性的评定及试验方法的评定及试验方法v评定焊接性的方法分为间接法和直接试验法两类。间接方法是以化学成分、热模拟组织和性能、焊接连续冷却转变图（CCT图）以及焊接热影响区的最高硬度等来判断焊接性，各种碳当量公式和裂纹敏感指数经验公式等也都属于焊接性的间接评定方法。直接试验法主要是指各种抗裂性试验以及对实际焊接结构焊缝和接头的各种性能试验等。v2 2.3.1 .3.1 焊接性的间接评定焊接性的间接评定v1 1碳当量法碳当量法v由于焊接
19、热影响区的淬硬及冷裂纹倾向与钢种的化学成分有密切关系，因此可以用化学成分间接地评估钢材冷裂纹的敏感性。各种元素中，碳对冷裂敏感性的影响最显著。可以把钢中合金元素的含量按相当于若干碳含量折算并叠加起来，作为粗略评定钢材冷裂倾向的参数指标，即所谓碳当量（CE或Ceq）。v由于世界各国和各研究单位所采用的试验方法和钢材的合金体系不同，各自建立了有一定适用范围的碳当量计算公式，见表2-4。 表2-4 常用合金结构钢碳当量公式 公式中的元素符号即表示该元素的质量分数（后同）。v表2-4各公式中，碳当量的数值越大，被焊钢材的淬硬倾向越大，焊接区越容易产生冷裂纹。因此可以用碳当量的大小来评定钢材焊接性的优劣
20、，并按焊接性的优劣提出防止产生焊接裂纹的工艺措施。 v此外，用碳当量法评定焊接性时还应注意以下的问题。v1) 使用国际焊接学会（IIW）推荐的碳当量公式时，对于板厚20mm的钢材，当CE0.4%时，淬硬倾向不大，焊接性良好，焊前不需要预热；CE0.4%-0.6%时，尤其是CE0.5%时，钢材易淬硬，表 焊接性已变差，焊接时需预热才能防止裂纹，随板厚增大预热温度要相应提高。v2) 使用日本工业标准（JIS）的碳当量公式时，当钢板厚度25mm和采用焊条电弧焊时（焊接热输入为17kJ/cm），对于不同强度级别的钢材规定了不产生裂纹的碳当量界限和相应的预热措施，见表2-5。表2-5 钢材强度和碳当量确
21、定预热温度3) 使用美国焊接学会（AWS）推荐的碳当量公式时，应根据计算出来某钢种的碳当量再结合焊件的厚度，先从图2-4中查出该钢材焊接性的优劣等级，再从表2-6中确定不同焊接性等级钢材的最佳焊接工艺措施。图2-4 碳当量（Ceq）与板厚的关系 表2-6 不同焊接性等级钢材的最佳焊接工艺措施v2焊接冷裂纹敏感指数法v合金结构钢焊接时产生冷裂纹的原因除化学成分外，还与焊缝金属组织、扩散氢含量、接头拘束度等密切相关。日本学者采用Y形坡口“铁研试验”对200多种不同成分的钢材、不同厚度及不同的焊缝含氢量进行试验，提出了与化学成分、扩散氢和拘束度（或板厚）相联系的冷裂纹敏感性指数等公式，并可用冷裂纹敏
22、感性指数确定防止冷裂纹所需的焊前预热温度。表2-7列出了这些冷裂纹敏感性公式、应用条件及确定焊前预热温度的计算公式。表2-7 冷裂纹敏感性公式及焊前预热温度的确定v上式适用的成分范围为：wC=0.07%-0.22%; wSi0.60%; wMn=0.40%-1.40%; wCu0.50%; wNi1.20%; wCr1.20%; wMo0.70%; wV0.12%; wNb0.04%; wTi0.50%; wB0.005%。板厚19-50mm; 扩散氢含量H1.0-5.0mL/100g。vH熔敷金属中的扩散氢含量（日本JIS甘油法与我国GB/T3965-1995测氢法等效（mL/100g）。
23、被焊金属板厚（mm）。 R拘束度（MPa）。 HD熔敷金属中的有效扩散氢含量（mL/100g） 有效系数（低氢型焊条=0.6, HD=H; 酸性焊条=0.48, HD=H/2）。v3热裂纹敏感性指数法v考虑化学成分对焊接热裂纹敏感性的影响，在试验研究的基础上提出可预测或评估低合金结构钢热裂纹敏感性指数的方法。v(1) 热裂纹敏感系数（简称HCS），其计算公式为： （2-2） 当HCS4时，一般不会产生热裂纹。HCS越大的金属材料，其热裂纹敏感性越高。310VMoCrMn3100Ni25SiPSCHCS）（v(2) 临界应变增长率（简称CST），其计算公式为：vCST=(-19.2C-97.2S
24、-0.8Cu-1.0Ni+3.9Mn+ 65.7Nb-618.5B+7.0)10-4 (2-3) v当CST6.510-4时，可以防止产生热裂纹，但这仅是按化学成分来考虑的。v4再热裂纹敏感性指数法v预测低合金结构钢焊接性时，根据合金元素对再热裂纹敏感性的影响，可采用再热裂纹敏感性指数法进行评定。一般有两种评定方法：v(1) G法，其计算公式为： G = Cr+3.3Mo+8.1V-2，(%) (2-4) 当G0时，不产生再热裂纹；G0时，对产生再热裂纹较敏感。对于wC0.1%的低合金钢，上式可修正为： G = G+10C= Cr+3.3Mo+8.1V-2+10C，(%) (2-5) 当G2时
25、，对再热裂纹敏感；1.5G2时，对再热裂纹敏感性中等；G1.5时，对再热裂纹不敏感。v(2) PSR法 此法主要是用于考虑合金结构钢焊接时Cu、Nb、Ti等元素对再热裂纹的影响，计算公式为：vPSR=Cr+Cu+2Mo+5Ti+7Nb+ 10V-2，(%) (2-6)v此公式适用范围为：wCr1.5%；wMo2.0%；wCu1.0%；0.10%wC0.25%；wV+wNb+wTi0.15%。当PSR0时，对产生再热裂纹较敏感。v（5）层状撕裂敏感性指数法v层状撕裂属于低温开裂，主要与钢种中夹杂物的数量、种类和分布等有关。 v在对抗拉强度500-800MPa低合金结构钢的插销试验（沿板厚方向截取
26、试棒）和窗形拘束裂纹试验的基础上，提出下述计算层状撕裂敏感性指数的公式： (2-7) 式中 裂纹敏感指数， Pcm = H熔敷金属中的扩散氢含量（用日本JIS法测定），（mL/100g）。S660HcmLPPB510V15Mo60Ni20CrCuMn30SiCv上述公式适用于低合金结构钢焊接热影响区附近产生的层状撕裂。根据层状撕裂敏感性指数PL可以在图2-5上查出插销试验Z向不产生层状撕裂的临界应力值(Z)cr。图2-5 层状撕裂敏感性指数PL与(Z)cr的关系v6焊接热影响区最高硬度法v焊接热影响区的最高硬度可以相对地评价被焊钢材的淬硬倾向和冷裂纹敏感性。由于硬度测定方法简单易行，已被国际焊
27、接学会（IIW）推荐采用。我国也已制定了适用于焊条电弧焊的国家标准，即GB/T 7902-1995焊接热影响区最高硬度试验方法。v一般用于焊接结构的钢材都应提供其最高硬度值，常用的低合金结构钢允许的热影响区最高硬度值列于表2-8中。表2-8 常用低合金钢的碳当量及允许的最大硬度v2.3.2 2.3.2 焊接性的直接试验方法焊接性的直接试验方法v焊接性的直接试验方法大多是针对钢材在焊接过程中出现的裂纹而设计的。采用焊接性的直接试验方法，可以通过在焊接过程中观察是否发生某种焊接缺陷或发生缺陷的程度，直观地评价焊接性的优劣。例如可以定性或定量地评定被焊金属产生某种裂纹的倾向，揭示产生裂纹的原因和影响
28、因素。由此确定防止裂纹等焊接缺陷必要的焊接工艺措施，包括焊接方法、焊接材料、工艺参数、等。各种金属材料可能产生的焊接裂纹类型见表2-9。表2-9 各种金属材料可能产生的焊接裂纹类型 注：常发生，有时发生v1 1焊接冷裂纹试验方法焊接冷裂纹试验方法v焊接冷裂纹是在焊后冷却至较低温下产生的一种常见裂纹，主要发生在低中合金结构钢的焊接热影响区或熔合区。表2-10列出了常用的低合金钢焊接冷裂纹试验方法及主要特点。v冷裂纹可以在焊后立即出现，有时却要经过一段时间，如几小时，几天甚至更长时间才出现。开始时是少量出现，随时间增长裂纹逐渐增多和扩展。 表2-10 常用的低合金钢焊接冷裂纹试验方法v(1) 斜Y
29、型坡口对接裂纹试验（Y-slit Type Cracking Test，GB/T 4675.1-1984） 主要用于评定低合金结构钢焊缝及热影响区的冷裂纹敏感性，在实际生产中应用很广泛，通常称为“小铁研”试验。v1) 试件制备 试板形状及尺寸如图2-8所示。被焊钢材板厚=9-38mm。对接接头坡口用机械方法加工。试板两端各在60mm范围内施焊拘束焊缝，采用双面焊。保证中间待焊试样焊缝处有2mm间隙。图2-8 斜Y形坡口对接试件的形状及尺寸 v2) 试验条件 试验焊缝选用的焊条应与母材相匹配，所用焊条应严格烘干。推荐采用下列焊接参数：焊条直径4mm，焊接电流（17010）A，焊接电压（242）V
30、，焊接速度（15010）mm/min。用焊条电弧焊施焊的试验焊缝如图2-9a所示，用自动送进装置施焊的试验焊缝如图2-9b所示。试验焊缝可在各种不同温度下施焊，试验焊缝只焊一道，不填满坡口。焊后静置和自然冷却24h后截取试样和进行裂纹检测。图2-9 施焊时的试验焊缝a) 焊条电弧焊试验焊缝 b) 焊丝自动送进的试验焊缝 v3) 检测与裂纹率计算 用肉眼或手持5-10倍放大镜来检测焊缝和热影响区的表面和断面是否有裂纹。按下列方法分别计算试样的表面裂纹率、根部裂纹率和断面裂纹率。v 表面裂纹率Cf 表面裂纹率根据图2-10a所示按下式计算： （2-8） 式中 lf 表面裂纹长度之和（mm）； L试
31、验焊缝长度（mm）。%100fLlCfa 表面裂纹 b 跟部裂纹c 断面裂纹图2-10 试样裂纹长度计算v 根部裂纹率Cr 试样先经着色检验，然后将其拉断，根据图2-10b所示计算根部裂纹长度，然后按下式计算根部裂纹率Cr，即： （2-9）。v 断面裂纹率Cs 用机械加工方法在试验焊缝上等分截取出4-6块试样，检查5个横断面上的裂纹深度Hs，如图2-10c所示，按下式计算断面裂纹率Cs，即： %100rrLlCv （2-10） 式中 Hs5个断面裂纹深度的总和（mm）；vH5个断面焊缝最小厚度的总和（mm）。v目前国内外没有评定“小铁研”试验裂纹敏感性的统一标准，但可以根据裂纹率进行相对评定。
32、一般认为低合金钢“小铁研”试验表面裂纹率小于20%时，用于一般焊接结构生产是安全的。%100ssHHCv(2) 插销试验方法（Implant Test） 是测定低合金钢焊接热影响区冷裂纹敏感性的一种定量试验方法。这种方法因消耗材料少、试验结果稳定，所以应用较广泛。v1) 试样制备 将被焊钢材加工成圆柱形的插销试棒，沿轧制方向取样并注明插销在厚度方向的位置。插销试棒的形状如图2-14所示，各部位尺寸见表2-11。试棒上端附近有环形或螺形缺口。将插销试棒插入底板相应的孔中，使带缺口一端与底板表面平齐，如图2-15所示。 图2-14 插销试棒的形状a) 环形缺口插销 b) 螺形缺口插销 图2-15
33、插销试棒、底板及熔敷焊道a) 环形缺口插销 b) 螺形缺口插销 表2-11 插销试棒的尺寸 对于环形缺口的插销试棒，缺口与端面的距离a应使焊道熔深与缺口根部所截平面相切或相交，但缺口根部圆周被熔透的部分v不得超过20%，如图2-16所示。对于低合金钢，a值在焊接热输入E=15kJ/cm时为2mm。根据焊接热输入的变化，缺口与端面的距离a可按表2-12作适当调整 。表2-12 缺口位置a与焊接热输入E的关系图2-16 熔透比的计算 图2-17 底板的形状及尺寸 v2) 试验过程 按选定的焊接方法和严格控制的工艺参数，在底板上熔敷一层堆焊焊道，焊道中心线通过试棒的中心，其熔深应使缺口尖端位于热影响
34、区的粗晶区。焊道长度L约100-150mm。v施焊时应测定800-500的冷却时间t8/5值。不预热焊接时，焊后冷却至100-150时加载；焊前预热时，应在高于预热温度50-70时加载。载荷应在1min之内且在冷却至100或高于预热温度50-70之前施加完毕。如有后热，应在后热之前加载。v为了获得焊接热循环的有关参数（t8/5、t100等），可将热电偶焊在底板焊道下的盲孔中（见图2-17），盲孔直径3mm，深度与插销试棒的缺口处一致。测点的最高温度应不低于1100。v为了获得焊接热循环的有关参数（t8/5、t100等），可将热电偶焊在底板焊道下的盲孔中（见图2-17），盲孔直径3mm，深度与插
35、销试棒的缺口处一致。测点的最高温度应不低于1100。v当加载试棒时，插销可能在载荷持续时间内发生断裂，记下承载时间。在不预热条 件下，载荷保持16h而试棒未断裂即可卸载。预热条件下，载荷保持至少24h才可卸载。可用金相或氧化等方法检测缺口根部是否存在断裂。经多次改变载荷，可求出在试验条件下不出现断裂的临界应力cr。临界应力cr可以用启裂准则，也可以用断裂准则，但应注明。根据临界应力cr的大小可相对比较材料抵抗产生冷裂纹的能力。v(3) 拉伸拘束裂纹试验（Tensile Restraint Cracking Test, 即TRC试验） 基本原理是模拟焊接接头承受的平均拘束应力，在一定坡口形状和一
36、定尺寸的试板间施焊后，冷却到规定温度时在焊缝横向施加一拉伸载荷并保持恒定，直到产生裂纹或断裂。 v(4) 刚性固定对接裂纹试验（Restrained Butt Joint Cracking Test） 这种试验方法主要用于测定焊缝的冷裂纹和热裂纹倾向，也可以测定热影响区的冷裂纹倾向，适用于低合金钢焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊等。v(5) 窗形拘束裂纹试验（Window Type Restraint Cracking Test） 这种方法主要用于测定低合金钢多层焊时焊缝横向冷裂纹及热裂纹的敏感性，为选择焊接材料和确定工艺条件提供试验依据。v(6) 搭接接头焊接裂纹试验（Controlled T
37、hermal Severity，即CTS试验） 这种试验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，主要适用于低合金钢热影响区的冷裂纹敏感性评定。v2 2 焊接热裂纹试验方法焊接热裂纹试验方法v焊接热裂纹是在焊接过程处在高温下产生的一种裂纹，其特征大多数是沿原奥氏体晶界扩展和开裂。表2-13列出几种常用的低合金钢焊接热裂纹试验方法。表2-13 常用的低合金钢焊接热裂纹试验方法v(1) 压板对接（FISCO）焊接裂纹试验 主要用于评定低合金钢焊缝金属的热裂纹敏感性，也可以做钢材与焊条匹配的性能试验。试验装置如图2-20所示。在C形夹具中，垂直方向用14个紧固螺栓以3105N的
38、力压紧试板，横向用4个螺栓以6104N的力定位，把试板牢牢固定在试验装置内。v1) 试件制备 试件的形状与尺寸如图2-21a所示。坡口形状为I形，厚板时可用Y形坡口，采用机械加工，坡口附近表面要打磨干净。图2-20 压板对接（FISCO）试验装置1C形拘束框架 2试板 3紧固螺栓 4齿形底座 5定位塞片 6调节板 图2-21 压板对接（FISCO）试板尺寸及裂纹计算 a) 试板尺寸 b) 焊缝裂纹长度计算 v2) 试验步骤 将试件安装在试验装置内，在试件坡口的两端按试验要求装入相应尺寸的定位塞片，以保证坡口间隙（变化范围0-6mm）。先将横向螺栓紧固，再将垂直方向的螺栓用指针式扭力扳手紧固。按
39、生产上使用的工艺参数按图2-21a所示顺序焊接4条长度约40mm的试验焊缝，焊缝间距约10mm，弧坑不必填满。焊后经过10min后将试件从装置上取出，待试件冷却至室温后，将试板沿焊缝纵向弯断，观察断面有无裂纹并测量裂纹长度，如图2-21b所示。v3) 裂纹率计算方法 对4条焊缝断面上测得的裂纹长度按下式计算其裂纹率，即： （2-13） 式中 Cf 压板对接（FISCO）试验的裂纹率（%）； li4条试验焊缝的裂纹长度之和（mm）； Li4条试验焊缝的长度之和（mm）。%100iifLlCv（2）可调拘束裂纹试验（Varestraint Test） 主要用于评定低合金钢各种热裂纹（结晶裂纹、液化
40、裂纹等）敏感性。这种方法的原理是在焊缝凝固后期施加一定的应变来研究产生裂纹的规律。当外加应变值在某一温度区间超过焊缝或热影响区金属的塑性变形能力时，就会出现热裂纹，以此来评定产生焊接热裂纹的敏感性。v3 3焊接再热裂纹试验方法焊接再热裂纹试验方法v厚板焊接结构，并采用含有某些沉淀强化合金元素的钢材，在进行消除应力热处理或在一定温度下服役的过程中，焊接热影响区部位发生的裂纹称为再热裂纹。由于这种裂纹是在再次加热过程中产生的，故称为“再热裂纹”，又称为“消除应力处理裂纹”，简称SR裂纹。v再热裂纹多发生在低合金高强钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢和某些镍基合金的焊接热影响区粗晶部位。可采用如下几种试
41、验方法进行评定。v(1) 插销式再热裂纹试验法 试验所用试件的形状和尺寸以及试验装置，与冷裂纹的插销试验一样。只是在焊接插销的部位安装一台加热用的电炉。v(2) H形拘束试验 试件形状及尺寸如图2-24所示。试板厚为=35mm，焊前预热及层间温度为150-200，采用直径4mm焊条，焊接电流150-180A，直流反接。焊后进行无损检测，确定无裂纹后再进行500-7002h回火处理。然后检查焊接热影响区是否出现再热裂纹。图2-24 H 形拘束试件形状及尺寸 v(3) 斜Y形坡口再热裂纹试验 采用与斜Y形坡口冷裂纹试验方法完全相同的试件形状及尺寸，试验过程及要求也基本一致。为了防止产生焊接冷裂纹，
42、焊前应适当预热，焊后检验无裂纹后再进行消除应力热处理。热处理的工艺参数一般为500-7002h。然后进行再热裂纹检测。v4 4层状撕裂试验方法层状撕裂试验方法v当焊接大型厚壁结构时，如果在钢板厚度方向受到较大的拉伸应力，就可能在钢板内部出现沿钢板轧制方向发展的具有阶梯状的裂纹，这种裂纹称为层状撕裂。低合金钢层状撕裂的温度不超过400，是在较低温度下的开裂。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（硫化物和氧化物），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。v(1) Z向拉伸试验（A-direction Tensile
43、Test） 利用钢板厚度方向（即Z向）的断面收缩率来测定钢材的层状撕裂敏感性。对于板厚25mm的材料，可直接沿板厚方向（Z向）截取小型拉伸试棒，试件的制取及其形状尺寸如图2-25a所示。如板厚25mm或需制备常规拉伸试棒时，应按图2-25b所示加工试棒。 图2-25 Z 向拉伸试验a) 小型试样的截取部位 b) 试件尺寸形状 v同常规拉伸试验一样，对试件进行拉伸试验。试棒拉伸破坏后，以Z向断面收缩率z（%）作为层状撕裂敏感性的评定指标。目前国内尚没有层状撕裂试验统一标准，一般参考日本对低合金钢抗层状撕裂的标准，见表2-14。当z25%时，才能较好地抵抗层状撕裂。表2-14 抗层状撕裂标准分类v
44、(2) Z 向窗口试验（Z-Direction Window Type Test） 也是一种测试层状撕裂敏感性的试验方法，试件的形状及尺寸如图2-26所示。在大拘束板（300mm350mm30mm）的中心开一“窗口”（见图2-26a），将试验板插入此窗口（见图2-26b），按图2-26c所示的顺序焊4条角焊缝，其中1、2为拘束焊缝，3、4为试验焊缝。装配时应将未加工的表面放在试验焊缝一侧，焊后在室温下放置24h后再切取试样检查裂纹率。裂纹率CR按下式计算，即： （2-17） 式中 l各截面上撕裂长度总和（mm）； L各截面上焊缝厚度总和（mm）。 %100LlCR图2-26 Z 向窗口试验a) 拘束板 b) 试验板的位置 c) 焊接顺序
