焊接接头弯曲试验标准现状及影响因素

宋 北，郭 枭，储继君，姜英龙，王 博，曹宇堃

(哈尔滨焊接研究院有限公司，哈尔滨 150028)

0 引言

目前焊接已被广泛应用于航空航天、船舶、海洋工程、能源石化、交通运载、国防军工、承压设备等领域的高端装备制造，在各领域中发挥着非常重要的作用[1-8]。随着现代工业的发展，焊接结构及母材越来越复杂且多样化，对焊接接头力学性能和弯曲性能的要求越来越高。弯曲试验是检验焊接接头性能的工艺性能，即塑性变形的能力，同时还可对无损检测难以发现的微小焊接缺陷进行检查[9]。

我国现行焊接接头弯曲试验方法标准为GB/T 2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》(以下简称GB/T 2653)，美国标准为ASTM B4.0:2016《焊缝力学性能标准试验方法》(以下简称ASTM B4.0)，国际标准为ISO 5173:2009《金属材料焊缝破坏性试验 弯曲试验》(以下简称ISO 5173)，日本标准为JIS Z 3122:2013《对接接头弯曲试验方法》(以下简称JIS Z 3122)。不同标准关键试验参数不尽相同，因而结果会存在一定的差异。本文将系统对比上述国内外焊接接头弯曲试验相关标准技术细节差异，分析差异可能导致的影响，详细论述弯曲性能试验影响因素及不合格原因，并对进一步改进焊接接头弯曲试验方法进行展望。

1 焊接接头弯曲试验方法标准现状

1.1 焊接接头弯曲试验方法标准

焊接接头弯曲试验方法标准采标情况和适用范围见表1。

表1 焊接接头弯曲试验方法标准对比

ASTM B4.0标准自1942年首次发布以来，进行了多次修订；ISO 5173标准于自1981年首次发布以来，也进行了几次修订；JIS Z 3122标准上一版1990版替代标准JIS Z 3124:1984。从表1可以看出，除ASTM B4.0外，其余3项标准均为焊接接头弯曲试验专用标准。从适用范围上看，GB/T 2653，ISO 5173均明确规定仅适用于熔化焊，JIS Z 3122除熔化焊外，还适用范围还包括了固相焊、扩散焊等其他工艺方法。

焊接接头弯曲试验方法标准试样尺寸要求对比见表2。可以看出，GB/T 2653详细规定了各种接头形式的试样尺寸，而AWS B4.0标准对带堆焊层对接接头正弯、侧弯未做规定，ISO 5173对带极堆焊对接接头侧弯未作规定，JIS Z 3122标准对带极堆焊正弯、侧弯未作规定。以对接接头横向弯曲试样为例，对于宽度b，GB/T 2653要求b最小为20 mm，同时b≥1.5ts；ISO 5173，JIS Z 3122均要求b≥4ts，未规定最小宽度；AWS B4.0要求宽度b统一为38 mm。对于试样厚度ts，GB/T 2653，ISO 5173，JIS Z 3122要求基本一致，接头处母材厚度t≤30 mm时，试样厚度ts=t。此外，ISO 5173，JIS Z 3122还规定t>10 mm，试样厚度ts也可加工成(10±0.5) mm；AWS B4.0则要求接头处母材厚度t≤10 mm时，ts=t，当t>10 mm时，ts=(10±0.40) mm。AWS B4.0中最大的试样厚度ts=10 mm，而GB/T 2653，ISO 5173，JIS Z 3122最大的试样厚度ts=30 mm。压头直径与试样厚度ts比值与弯曲试样最外侧的延伸率密切相关，对于试验结果有直接影响。当接头处母材厚度t在10～30 mm时，对于AWS B4.0，ISO 5173，JIS Z 3122，试样厚度ts均可选为10 mm，采用一个压头便可进行弯曲试样，对于GB/T 2653，则需根据试样厚度选取对应尺寸的压头，这需要加工较多的直径的弯轴。总体来看，AWS B4.0对于弯曲试样宽度、长度等尺寸的量化要求更为具体，对于试样尺寸的加工公差要求更为严格。

表2 焊接接头弯曲试验方法标准试样尺寸(mm)要求对比

焊接接头弯曲试验方法标准试验条件对比见表3。对于压头直径d，除我国标准未给出具体要求外，其他标准压头直径的确定均依据断后伸长率、试样厚度确定；对于辊筒半径R，其他标准要求基本约为我国标准要求值的二倍；对于辊筒间距离l，各标准均依据试样厚度、压头直径确定；对于弯曲角度α，除AWS标准统一要求180°，其他标准均未做具体要求。关于用于弯曲断后伸长率计算的原始标距的确定，除AWS标准外，其他标准均针对焊接工艺方法给出了对应的确定公式。

表3 焊接接头三点弯曲试验方法标准试验条件对比

1.2 焊接材料产品弯曲试验考核要求

1.2.1 美国(AWS)标准

AWS焊接材料产品标准目前共有32项，其中有AWS A5.1/A5.1M:2012 《焊条电弧焊用碳钢焊条》、AWS A5.6/A5.6M:2008《焊条电弧焊用铜和铜合金焊条》、AWS A5.11/A5.11M:2018《焊条电弧焊用镍和镍合金焊条》、AWS A5.18/A5.18M:2021《气体保护焊用碳钢焊丝和填充丝》、AWS A5.20/A5.20M:2021《电弧焊用碳钢药芯焊丝》、AWS A5.22/A5.22M:2012《不锈钢药芯和金属芯焊丝和焊条》、AWS A5.34/A5.34M:2018《电弧焊用镍合金药芯焊丝》、AWS A5.36/A5.36M:2016《药芯电弧焊用碳钢和低合金钢药芯焊丝及熔化极气体保护电弧焊用金属芯焊丝》、AWS A5.39/A5.39M:2020《埋弧焊和电渣焊用不锈钢和镍合金焊丝焊剂组合》9项规定了弯曲试验的考核指标，见表4。可以看出，对弯曲性能有考核要求的主要集中于焊条、药芯焊丝、焊剂等有矿物粉参与冶金反应的产品类型，相比较而言，镍基合金焊条的考核更为严格，除对最大裂纹长度有规定外，还对裂纹数量提出了要求，可能与该类焊条易产生热裂纹有关。

表4 AWS焊接材料产品标准弯曲性能考核要求对比

1.2.2 日本(JIS)标准

JIS焊接材料产品标准目前共有39项，其中有JIS Z 3201:2001《钨极惰性气体保护电弧焊用非合金钢及细晶粒钢实心焊丝》、JIS Z 3231:1999 AMD 1—2007《铜及铜合金焊条》、JIS Z 3232:2009《铝及铝合金焊条及焊丝》、JIS Z 3225:1999 AMD 1—2007《9%镍钢用焊条》、JIS Z 3332:1999 AMD 1—2007《9%镍钢TIG焊用焊条和实心焊丝》、JIS Z 3333:1999 AMD 1—2007《9%镍钢埋弧焊丝及焊剂》6项规定了弯曲试验的考核指标，且均规定弯曲后的试样外表面在任何方向上不应出现大于3 mm的裂纹等缺陷。

1.2.3 中国(GB)标准

我国焊接材料产品标准我国焊接材料产品标准是按照ISO标准体系转化的，未对弯曲试验考核指标进行规定。

行业标准NB/T 47018(NB/T 47018.2～5—2017，NB/T 47018.6～7—2011)《承压设备用焊接材料订货技术条件》中，对弯曲试验有相应要求。第2，3，4，7部分要求1个正弯和1个背弯试样，第5部分要求2个侧弯试样，第6部分要求焊丝熔敷金属试件1个正弯和1个背弯试样，填充丝平板堆敷焊道试件2个正弯试样。弯曲试验的考核指标均为弯曲角度180°，试样任何方向不应出现大于3 mm的开裂。

1.3 我国焊接工艺评定弯曲试验考核要求

我国焊接工艺评定标准中对于不同材料和工艺的弯曲试验方法、试验数量对弯曲试验考核指标进行对比分析见表5。可以看出，表中所列出的焊接工艺评定标准弯曲试验的考核指标均为弯曲角度180°，试样任何方向不应出现大于3 mm的开裂。

表5 我国焊接工艺评定标准弯曲试验考核要求对比

在标准中断后伸长率小于20%时，压头直径为(100×ts)/A-ts；而在NB/T 47018标准第2，3，4部分要求，压头直径为10×(200-A)/2A。相比之下，国家标准要求更严且合理。

2 弯曲试验影响因素分析与研究

2.1 弯曲性能评价指标

王庆田等[10]认为弯曲试验并不是一种力学性能试验，而是一种工艺性能试验，这主要是由于无论试验方法中弯曲角度、压头直径与试样厚度比值，还是弯曲后的裂纹长度与数量等弯曲试验的结果均不具有明确的力学物理意义。不过，在实际工程中，焊接接头弯曲试验一方面用于检验接头的塑性、弯曲变形协调能力，另一方面也用于对无损检测无法发现的微小缺陷进行检查。目前，焊接接头弯曲性能的评价指标主要包括压头直径与试样厚度比值n、弯曲角度、裂纹尺寸及数量等。

叶栋林等[11]指出焊接接头的弯曲试验除了能够检验接头的塑性、弯曲变形能力外，检查有无超限的缺陷存在也是重要目标之一。针对n与冷弯角α开展研究，结果表明试件厚度、宽度对最大冷弯断后伸长率δmax均无显著影响。随着n减小，δmax会增加，二者关系近似于δmax=1/n+1×100(%)。对于变形最大的I区，α在一定范围内，δ随着α的增加而增大，α增加到一定值后，δ不再增加，保持为定值δmax。此时达到的临界冷弯角称为临界冷弯角α临。α临一般在70°～90°之间，大小似乎与n有关，当n小时α临大。在焊接接头的纵向冷弯试验中，影响冷弯检验严格程度的参数是n，而不是α。徐桂兰等[12]对于不锈钢薄板焊接接头的研究同样表明，在弯曲角度α小于100°时，各区域变形随着α的增大而增加；当α从100°增加至180°时，弯曲试样中心区相对断后伸长率几乎不再增加，表明临界冷弯角α临约为100°。殷鸿[13]对16Mn,15MnV等多种钢焊接接头的研究结果也支持该观点。由此得出：当α<α临时，n,α是决定冷弯试验程度的主要参数；当α≥α临时，n是决定弯曲试验程度的主要参数。

PETLEY等[14]研究了三点弯曲对钛合金TIG焊接接头的影响，提出了基于压头深度、弯曲角度、虚拟压头直径的弯曲性能评价指标，用于评估临界开裂条件。

2.2 弯曲性能不合格原因分析

陈裕川[15]指出焊接接头工艺评定弯曲试验不合格的主要原因包括宏观焊接缺陷(小气孔、点状夹渣等)、显微焊接缺陷(微裂纹、脆性相等)、母材焊缝变形不协调、焊缝或HAZ脆化等。李连波等[16]的研究表明9%Ni钢焊条电弧焊焊接接头弯曲不合格的原因主要为氧化物、硫化物及碳化物等形成的宏观夹渣焊接缺陷。闵晓峰等[17]指出CCS 焊工取证考试试件进行弯曲试验时，绝大多数9%Ni钢焊接接头进行横向弯曲都会出现裂纹，裂纹大都出现在热影响区，焊缝中的裂纹主要是由微热裂纹引起的。然而，实践表明9%Ni钢焊接接头侧弯不合格主要原因为母材与焊缝金属屈服强度差距太大，弯曲试验时载荷基本集中在焊缝上，难以使热影响区产生屈服，而造成侧弯不合格。吴平等[18]认为焊接线能量过大是Q345R钢板焊接接头侧弯不合格的原因。MANIMOZHI等[19]研究表明对于SS 409M铁素体不锈钢手工电弧焊焊接接头，采用常规E308L焊条时，会由于HAZ铁素体晶粒粗大和稀释引起的马氏体的存在导致弯曲性能不合格。对于异种钢接头，在制定焊接工艺与焊材选型时，需综合考虑稀释率、组织演变、元素扩散与偏析等因素，以避免弯曲性能不合格。

2.3 弯曲试验影响因素分析

苏世杰等[17]的研究表明，利用有限元法建立了三点弯曲焊接接头最小弯曲直径计算公式：

(1)

结果见图1[20]和图2。当弯曲直径较小时，采用三点弯曲方法焊接接头中会产生明显的断后伸长率峰值；D/t<4.5时，三点弯曲断后伸长率峰值曲线明显高于辊筒弯曲断后伸长率峰值曲线，且与曲线相差较大。说明在小弯曲半径条件下，三点弯曲法会造成焊接接头内部的应力集中，其弯曲性能无法被准确评估。

图1 ZG200-400试样三点弯曲断后伸长率分布

图2 δmax-D/t关系曲线

刘吉涛[21]对异种材质焊接接头三点弯曲进行了有限元分析，焊接接头处出现滑移和折弯现象。另外，对夹持试样不同端部，且动辊到试样的距离x值大小不同的情况做了多组辊筒弯曲有限元模拟，结果表明，夹软质材料试样辊筒弯曲能有效评估焊接接头弯曲性能，三点弯曲和夹硬质材料辊筒弯曲焊接接头会出现凸起和滑移现象。

焊接接头在三点弯曲试验时存在弯剪耦合效应[22]，焊接接头随着弯曲角度的增加，靠近上下两表面部分的应变量最大[23-25]。

IVANA等[26]研究材料屈强比、试样尺寸等因素对ASTM 355级别无缝管三点弯曲的影响，结果表明屈强比、试验速度、表面粗糙度对弯曲试验均有影响。

陈爱志等[27]采用不同压头直径测定了屈服强度为590 MPa级10CrNi3MoV钢焊接接头弯曲试验后不同部位的断后伸长率，美国MIL标准对于舰船用焊接材料对接接头弯曲试验的要求，是依据AWS B4.0上的列线图3A-4(见图3[27])来选择压头半径的。

图3 选择最小压头直径的列线图

3 结论

(1)中国、国际、日本、美国标准针对焊接接头弯曲试验方法、焊接材料验收、焊接工艺评定等的规定与要求存在显著差异，这主要与各标准体系对于弯曲试验的认识、理解、目的存在差异有关。鉴于现状，弯曲试验结果的评价应结合试验方法、试样状态等多方面因素进行具体分析。

(2)焊接接头弯曲性能不合格主要与焊接缺陷、塑性不足、变形不协调等因素有关。弯曲试验不仅可以用于评价接头变形能力，而且在检测微小缺陷方面发挥着重要作用，是力学性能试验、无损检测的重要补充，是一种十分有效、不可缺失的焊接接头破坏性试验手段。

(3)针对弯曲试验方法与考核指标确定，焊接行业应紧紧围绕工程需求，立足于弯曲试验原理与目的，通过开展基础研究与试验验证等相关工作，为工程质量提升提供支撑与保障。