翟蓮娜

(1.上海材料研究所, 上海 200437；2.上海市工程材料應(yīng)用與評價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200437)

焊接作為金屬之間的最重要連接方式之一，已廣泛應(yīng)用于鍋爐、船舶、壓力容器、壓力管道和各種鋼結(jié)構(gòu)等。目前，我國焊接材料的產(chǎn)量已達(dá)到世界總產(chǎn)量的一半以上，成為世界最大的焊接材料的生產(chǎn)和消費(fèi)國，焊接行業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中越來越發(fā)揮著重要的作用[1]。由于焊接中焊件結(jié)合部分(焊縫)的形成過程涉及到熱、應(yīng)力和顯微組織變化，使其往往成為焊接結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，故焊縫的試驗(yàn)和檢驗(yàn)就成了焊接質(zhì)量控制和保障的重要手段。焊接件中焊縫金屬、熱影響區(qū)和母材等各處的化學(xué)成分、顯微組織和應(yīng)力狀態(tài)差異很大，傳統(tǒng)的拉伸、沖擊、硬度、金相等試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)無法直接用于焊接件的檢測，為此，需要針對焊接樣品取樣方向和部位、試樣制備、檢測位置和檢測步驟等進(jìn)行專門地規(guī)范，并將這些規(guī)范形成的標(biāo)準(zhǔn)作為相應(yīng)的傳統(tǒng)拉伸、沖擊、硬度、金相等試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充。這些標(biāo)準(zhǔn)與冷裂紋和熱裂紋敏感性試驗(yàn)等焊接性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)因都涉及到被檢樣品在檢測前進(jìn)行取樣和制樣等處理，故被稱之為焊縫破壞性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，其與焊縫無損(非破壞性)檢測標(biāo)準(zhǔn)一起構(gòu)成了焊縫的試驗(yàn)和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化體系。

筆者在介紹國內(nèi)外金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化最新進(jìn)展的基礎(chǔ)上，也對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了闡述。

1 國外金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展現(xiàn)狀

鑒于金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用十分廣泛，國外的主要標(biāo)準(zhǔn)化組織如國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)、美國焊接學(xué)會(huì)(AWS)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(CEN)、日本標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)(JSA)等都設(shè)立了專門機(jī)構(gòu)并發(fā)布了大量的標(biāo)準(zhǔn)，其中，按照ISO/CEN維也納協(xié)議，ISO焊接標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)焊縫試驗(yàn)與檢驗(yàn)分技術(shù)委員會(huì)(ISO/TC44/SC5)與CEN焊接標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)焊縫檢驗(yàn)工作組(CEN/TC121/WG21)合署辦公，共同推進(jìn)歐洲(EN)標(biāo)準(zhǔn)和ISO標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目，使得歐洲主要國家的焊縫試驗(yàn)與檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)高度等同，故作者重點(diǎn)介紹ISO,AWS和日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

ISO目前已建立了由17個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組成的較為完整的焊縫破壞性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系，涵蓋拉伸、沖擊、彎曲、斷裂、硬度、金相、焊接性試驗(yàn)(冷裂紋、熱裂紋敏感性)等常用破壞性試驗(yàn)方法(見圖1)，目前現(xiàn)行有效的ISO標(biāo)準(zhǔn)及其對應(yīng)引用的金屬材料試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)見表1。

圖1 ISO金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系框架圖Fig.1 Frame diagram of ISO standard system for destructivetests on welds in metallic materials

表1 ISO金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 ISO standards for destructive tests on welds in metallic materials

作為焊接技術(shù)和產(chǎn)業(yè)全球領(lǐng)先的美國和日本，在焊縫破壞性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方面，無論是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)量和覆蓋面，還是標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求都超過ISO標(biāo)準(zhǔn)。美國焊接學(xué)會(huì)負(fù)責(zé)的AWS B4.0—2016《焊縫力學(xué)性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了主要的焊縫破壞性試驗(yàn)方法，其中第4～9章給出了拉伸、角焊縫剪切、彎曲、沖擊、動(dòng)態(tài)撕裂、斷裂、落錘試驗(yàn)、硬度等試驗(yàn)要求，第10章給出了控制熱強(qiáng)度試驗(yàn)(CTS)、插銷、里海等焊接性試驗(yàn)要求(見表2)。日本焊縫破壞性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)見表3，表2和表3還給出了各自引用的金屬材料試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)以及對應(yīng)的ISO標(biāo)準(zhǔn)。

2 我國金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展現(xiàn)狀

鑒于焊縫破壞性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對焊接技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要性，1981年我國開始制定焊接接頭的沖擊、拉伸、彎曲和硬度等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并逐步開始構(gòu)建金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系。特別是近些年來，我國加大了國際標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化，目前已建立了涵蓋拉伸、沖擊、彎曲、斷裂、硬度、金相、冷裂紋等常用破壞性試驗(yàn)方法國家標(biāo)準(zhǔn)16項(xiàng)(見表4)。此外，GB/T 5482—2007《金屬材料動(dòng)態(tài)撕裂試驗(yàn)方法》也適用于測定焊接接頭的動(dòng)態(tài)撕裂能和纖維斷面率，船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也針對船體結(jié)構(gòu)、海洋平臺用碳素鋼和低合金鋼的焊條電弧焊、氣體保護(hù)焊焊接接頭制定了CB/T 4364—2013《斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》。

表2 AWS金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 AWS standards for destructive tests on welds in metallic materials

目前，我國金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系(見圖2)與國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進(jìn)國家的標(biāo)準(zhǔn)相比，仍存在如下不足。

(1) 熱裂紋敏感性試驗(yàn)方面的標(biāo)準(zhǔn)處于空白

由于焊接中焊件結(jié)合部分(焊縫)的形成過程涉及到熱、應(yīng)力和顯微組織變化，使其往往成為焊接結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，故焊縫的試驗(yàn)與檢驗(yàn)就成了焊接材料研發(fā)、焊接工藝評定、焊接質(zhì)量控制和保障、焊接失效分析等的重要手段。目前我國尚無熱裂紋敏感性試驗(yàn)方面的標(biāo)準(zhǔn)，由于熱裂紋試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的缺失，制約了我國民用航空、核電等行業(yè)的發(fā)展，故ISO 17641-1:2004和ISO 17641-2:2015兩個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化制定均被納入《2017—2020年裝備制造業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域國際標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化計(jì)劃項(xiàng)目》(工業(yè)“四基”)中。

表3 JIS主要金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 JIS main standards for destructive tests on welds in metallic materials

表4 中國的焊縫破壞性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 China standards for destructive tests on welds in metallic materials

圖2 中國金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系框架圖Fig.2 Frame diagram of standard system for destructive tests onwelds in metallic materials in China

(2) 主要標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)齡較長

多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布在2011年以前，拉伸、彎曲、沖擊、硬度等焊縫破壞性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)更是發(fā)布于2008年，存在試驗(yàn)范圍窄、可操作性差以及部分描述錯(cuò)誤等情況。如拉伸、沖擊等常用標(biāo)準(zhǔn)國際上已進(jìn)行了兩輪的修改進(jìn)程，而我國的拉伸、沖擊等標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)齡較長，且與日本、美國的試驗(yàn)方法不完全一致，從而導(dǎo)致了相關(guān)國際技術(shù)交流和進(jìn)出口貿(mào)易的受阻。

(3) 焊接技術(shù)和試驗(yàn)技術(shù)的最新發(fā)展未能在標(biāo)準(zhǔn)中體現(xiàn)

摩擦攪拌焊、摩擦焊、擴(kuò)散焊在航天、航空、高鐵等領(lǐng)域的應(yīng)用快速增長[2]，這些焊接新技術(shù)對金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)的檢測提出了新需求，而相關(guān)焊縫破壞性試驗(yàn)無標(biāo)準(zhǔn)可依。

3 焊縫破壞性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢

國際焊接學(xué)會(huì)(IIW)2012年白皮書指出：“只要制造產(chǎn)品的材料是可焊的，焊接就是首選的連接技術(shù)”，“焊接作為各工業(yè)部門扮演關(guān)鍵角色的有效技術(shù)，對全球應(yīng)對制造、基礎(chǔ)設(shè)施和能源方面的壓力和挑戰(zhàn)能力的提高至關(guān)重要”。在《國務(wù)院關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見》中，提出的重大技術(shù)裝備16個(gè)領(lǐng)域中，有8個(gè)領(lǐng)域與焊接技術(shù)密切相關(guān)。戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)、高端裝備制造產(chǎn)業(yè)、新材料產(chǎn)業(yè)、新能源汽車產(chǎn)業(yè)、新能源產(chǎn)業(yè)、節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)、相關(guān)服務(wù)業(yè)等7大領(lǐng)域與焊接直接相關(guān)。新基建中5G基站建設(shè)、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域也都涉及到連接技術(shù)，其中焊接又是優(yōu)選。

為更好地適應(yīng)和滿足焊接技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，焊縫破壞性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展將有以下趨勢。

(1) 吸收焊接技術(shù)和試驗(yàn)技術(shù)的最新成果，將焊接新技術(shù)的質(zhì)量評價(jià)納入到焊縫破壞性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中，如ISO 4136:2012僅適用于熔化焊，而ISO/DIS 4136就擴(kuò)大至包括擴(kuò)散焊、摩擦焊、摩擦攪拌焊、電子束焊、激光焊等所有對接焊接接頭，此外，日本在2016年也發(fā)布了JIS Z 3175:2016等。

(2) 細(xì)化試驗(yàn)操作程序，降低檢測方法的不確定度，如原有的焊縫拉伸、硬度、彎曲等ISO標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗(yàn)溫度均為(23±5) ℃，目前，ISO 9015-2:2016，ISO 5178:2019，ISO/DIS 4136等均改為一般情況下10～35 ℃，特殊要求時(shí)(23±5) ℃，與其引用的金屬材料試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)溫度規(guī)定一致，既可降低成本、提高效率，又可保證檢測質(zhì)量。

(3) 在當(dāng)今全球化進(jìn)程中，技術(shù)和貿(mào)易往來日益頻繁，為使不同試驗(yàn)室的檢測結(jié)果能實(shí)現(xiàn)互認(rèn)，就要求檢測標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求盡可能一致，目前，歐盟各國的焊縫破壞性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)已與ISO完全等同，我國標(biāo)準(zhǔn)與ISO的技術(shù)要求也基本一致，此外，ISO在焊縫破壞性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂中也在積極采納日本和美國標(biāo)準(zhǔn)的新內(nèi)容。

(4) 高新技術(shù)的發(fā)展，特別是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對焊接質(zhì)量和安全可靠性的要求不斷提升，焊接裂紋敏感性方面的檢測方法標(biāo)準(zhǔn)不斷完善和充實(shí)，如AWS B4.0中焊接裂紋敏感性試驗(yàn)方法已擴(kuò)充至9種。

4 對我國金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的建議

為構(gòu)建和完善適應(yīng)戰(zhàn)略性新型產(chǎn)業(yè)發(fā)展、滿足制造產(chǎn)業(yè)升級的金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系，建議從以下4個(gè)方面開展工作。

(1) 填補(bǔ)國內(nèi)熱裂紋試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)空白。通過制定我國的焊接熱裂紋標(biāo)準(zhǔn)，填補(bǔ)這一方面國內(nèi)的空白，從而促進(jìn)航空、航天、核電、燃?xì)廨啓C(jī)等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芎附硬牧系难邪l(fā)，加速解決重要關(guān)鍵材料被“卡脖子”的現(xiàn)狀。

(2) 不斷完善和優(yōu)化已有的但又與技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展不適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)行相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)查修訂，以適應(yīng)新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提高標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)行有效性，降低試驗(yàn)成本。

(3) 擴(kuò)大標(biāo)準(zhǔn)在摩擦焊、摩擦攪拌焊、擴(kuò)散焊等焊接新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。通過對摩擦焊、摩擦攪拌焊、擴(kuò)散焊、電子束焊、激光焊等焊接新技術(shù)新工藝中焊縫強(qiáng)度、韌性和硬度表征方法的研究，完善我國焊縫破壞性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)體系，從而促進(jìn)這些焊接新技術(shù)的應(yīng)用和自身發(fā)展，加速我國新能源、新能源汽車、高端裝備制造業(yè)和新材料等相關(guān)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大。

(4) 優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件以降低試驗(yàn)成本和增進(jìn)檢測結(jié)果的互認(rèn)性。如，試驗(yàn)溫度對焊縫力學(xué)性能有一定的影響，特別是對焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果和結(jié)果的不確定度，為此，優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件，簡化試驗(yàn)條件和操作的難度系數(shù)，可大幅度地降低試驗(yàn)成本。

5 結(jié)束語

隨著我國從制造業(yè)大國向著制造強(qiáng)國邁進(jìn)，焊接技術(shù)在民用航空、核電、新能源汽車、城市軌道交通等領(lǐng)域的應(yīng)用愈來愈廣泛。為更好地適應(yīng)和滿足焊接技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，需加快我國焊縫破壞性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系的健全和完善。通過構(gòu)建和完善與國際接軌的標(biāo)準(zhǔn)體系，將有利于加快我國焊接技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的國際化進(jìn)程，推動(dòng)國內(nèi)焊接產(chǎn)業(yè)檢測技術(shù)升級和提升產(chǎn)品國際競爭力，同時(shí)降低產(chǎn)品制造成本，擴(kuò)大國外市場，加速我國在焊接相關(guān)領(lǐng)域從制造和消費(fèi)大國向強(qiáng)國的邁進(jìn)。