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焊接是制造業(yè)不可或缺的共性基礎(chǔ)技術(shù)，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)，特別是當(dāng)焊縫中存在脆硬相(如孿晶馬氏體)時，會降低焊接接頭的延性和韌性，容易發(fā)生脆化、斷裂等問題。為此，焊縫硬度往往成為焊接工藝是否合理的重要判斷依據(jù)，而焊縫硬度主要用維氏硬度來評價。此外，由于維氏硬度不僅能衡量材料軟硬程度，還能靈敏地反映金屬材料在化學(xué)成分、顯微組織、熱加工工藝及冷加工變形等方面的差異，故在焊接材料檢測和失效分析中也得到廣泛應(yīng)用。

 

來自上海材料研究所和上海市工程材料應(yīng)用與評價重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的翟蓮娜和金靜靜兩位研究人員對國內(nèi)外金屬材料焊縫維氏硬度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系的最新進(jìn)展進(jìn)行了介紹，對比分析了我國現(xiàn)行焊縫維氏硬度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系中存在的不足，并提出了相關(guān)建議。

 

01國外金屬材料焊縫維氏硬度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

 

鑒于國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)與歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(CEN)達(dá)成的“維也納協(xié)議”中“盡一切可能確保國際標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)的相一致”原則的實(shí)施，目前歐洲標(biāo)準(zhǔn)和ISO標(biāo)準(zhǔn)在焊縫試驗(yàn)與檢驗(yàn)中已完全等同，因此，兩位研究人員主要分析目前國內(nèi)應(yīng)用較多的ISO、美國和日本金屬材料焊縫維氏硬度標(biāo)準(zhǔn)(見表1)的進(jìn)展。

 

表1中美國焊接學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)AWS B4.0：2016中引用的維氏硬度試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)為ASTM E384《材料努氏和維氏硬度試驗(yàn)方法》，其上一版本AWS B4.0：2007引用的維氏硬度試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)有2個，分別為ASTM E28力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)委員會管理的ASTM E92《材料努氏和維氏硬度試驗(yàn)方法》和ASTM E04金相技術(shù)委員會管理的ASTM E384《材料顯微硬度試驗(yàn)方法》，這是因?yàn)锳STM E92—82(2003)曾于2010年7月被撤銷，又于2016年2月恢復(fù)，故AWS B4.0：2016引用標(biāo)準(zhǔn)的最新版本為ASTM E384—17和ASTM E92—17。

 

表1 國外金屬材料焊縫維氏硬度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

 

從表1可看出，ISO的焊縫維氏硬度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系比較完善。根據(jù)焊接接頭形式和特點(diǎn)，ISO通過制定ISO 9015-1：2001，ISO 9015-2：2016，ISO 22826：2005和ISO 14271：2017等4個維氏硬度在焊縫試驗(yàn)中的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)來分別規(guī)定了焊縫維氏硬度試驗(yàn)中試驗(yàn)力的選擇、樣品的制備和試驗(yàn)位置，而具體的試驗(yàn)原理、試樣處置、試驗(yàn)步驟、不確定度等則由維氏硬度的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)ISO 6507.1(現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為ISO 6507.1：2018《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》)規(guī)定。ISO 6507是金屬材料維氏硬度試驗(yàn)的系列標(biāo)準(zhǔn)，除了第1部分：試驗(yàn)方法(ISO 6507-1：2018)外，還包括第2部分：硬度計的檢驗(yàn)與校準(zhǔn)(ISO 6507-2：2018)、第3部分：標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的標(biāo)定(ISO 6507-3；2018)和第4部分：硬度值表(ISO 6507-4：2018)等配套標(biāo)準(zhǔn)，這些應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)和配套標(biāo)準(zhǔn)共同組成了金屬材料焊縫維氏硬度試驗(yàn)的完整標(biāo)準(zhǔn)體系(見圖1)。

 

圖1 ISO現(xiàn)行的金屬材料焊縫維氏硬度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系

 

在焊縫維氏硬度應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)中，ISO 9015-1：2001，ISO 9015-2：2016和ISO 22826：2005的不同點(diǎn)是根據(jù)焊縫區(qū)域和梯度變化大小的不同，選擇適應(yīng)的試驗(yàn)力。焊縫區(qū)域和梯度變化小的，選擇小的試驗(yàn)力，反之，則選擇大的試驗(yàn)力。而相同點(diǎn)是試驗(yàn)方式基本一致，都包括線測試(R型測試)或點(diǎn)測試(E型測試)(見圖2)，通過這種方式可方便地得到焊縫區(qū)域的硬度分布和最大硬度。

 

對于鋼來說，一般情況下，隨著硬度的上升，鋼的延性和韌性下降，綜合力學(xué)性能降低，抗裂能力減弱。而鋼焊接后最高硬度多出現(xiàn)在熔合線附近的熱影響區(qū)處，因此，測得熱影響區(qū)最高硬度的大小，對預(yù)測焊接接頭的力學(xué)性能及開裂傾向有重要意義。JIS Z3101—1990直接給出了焊接熱影響區(qū)最大硬度試驗(yàn)方法，而ISO 9015-1：2001則是通過線測試(R型測試)得到一組數(shù)據(jù)后找出的熱影響區(qū)最大硬度，兩者殊途同歸。

 

圖2 線測試(R型測試)及點(diǎn)測試(E型測試)示意圖

 

02我國金屬材料焊縫維氏硬度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

 

我國早在1981年就發(fā)布了第一個涉及金屬焊縫維氏硬度的試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB 2654—1981《焊接接頭及堆焊金屬硬度試驗(yàn)法》，1984年，等效采用日本JIS Z3101—76標(biāo)準(zhǔn)制定發(fā)布了GB/T 4675.5—1984《焊接性試驗(yàn) 焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)方法》。GB/T 4675.5—1984已于2005年作廢，而GB 2654—1981歷經(jīng)1989年和2008年兩次修訂后，現(xiàn)行有效標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 2654—2008/ISO 9015—1：2001《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》。2011年和2018年，我國又分別發(fā)布了GB/T 27552—2011/ISO 9015—2：2003《金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn) 焊接接頭顯微硬度試驗(yàn)》和GB/T 35085—2018/ISO 22826—2005《金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn) 激光和電子束焊接接頭的維氏和努氏硬度試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，此外，我國也參照ISO 6507制訂了系列金屬材料維氏硬度試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，并由這些焊縫維氏硬度的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)和配套標(biāo)準(zhǔn)一起構(gòu)成了我國現(xiàn)行的焊縫維氏硬度標(biāo)準(zhǔn)體系(見圖3)。

 

圖3 我國現(xiàn)行的金屬材料焊縫維氏硬度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系

 

此外，對壓力容器、核反應(yīng)堆、儲槽和艦船等以鋼材為基材，以不銹鋼或有色金屬為覆材，總厚度不小于8mm的軋制、爆炸、堆焊、鑄造、爆炸軋制、堆焊軋制及鑄造軋制的單面和雙面復(fù)合鋼板焊接接頭維氏硬度試驗(yàn),GB/T 16957—2012《復(fù)合鋼板 焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)方法》給予了明確的規(guī)定。

 

除了國標(biāo)外，我國一些行業(yè)也制定了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如CB/T 3770—2013《船用鋼材焊接接頭維氏硬度試驗(yàn)方法》對船用鋼材焊接接頭維氏硬度的試驗(yàn)方法規(guī)定更為詳細(xì)，其他技術(shù)內(nèi)容與GB/T 2654—2008基本一致。

 

03我國焊縫維氏硬度試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)存在的問題

 

3.1 焊縫維氏硬度標(biāo)準(zhǔn)體系尚待完善和健全

     對比圖1和圖3可知，我國的焊縫維氏硬度標(biāo)準(zhǔn)總體上采用ISO標(biāo)準(zhǔn)，但還存在以下問題。

     ①電阻點(diǎn)焊、凸焊及縫焊接頭的維氏硬度尚屬空白；

     ②GB/T 4340系列標(biāo)準(zhǔn)和GB/T 27552—2011尚未隨著ISO標(biāo)準(zhǔn)的變更而更新；

    ③可喜的是，這些目前正處在解決之中，GB/T 4340.1—2009，GB/T4340.4—2009和GB/T 27552—2011正在修訂之中，電阻點(diǎn)焊、凸焊及縫焊接頭的維氏硬度試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)正在制定之中，而GB/T 4340.2—2012，GB/T 4340.3—2012也在籌備修訂之中。

 

3.2 我國的維氏硬度配套的校準(zhǔn)/檢定標(biāo)準(zhǔn)除國標(biāo)外還有檢定規(guī)程

 

維氏硬度計和標(biāo)準(zhǔn)維氏硬度塊的校準(zhǔn)/檢定既有全國試驗(yàn)機(jī)標(biāo)委會制定的GB/T 4340.2—2012和GB/T 4340.3—2012，又有全國力值硬度計量技術(shù)委員會制定的檢定規(guī)程JJG 151—2006《金屬維氏硬度計檢定規(guī)程》和JJG 148—2006《標(biāo)準(zhǔn)維氏硬度塊檢定規(guī)程》，雖然兩者都是依據(jù)ISO 6507-2和ISO 6507-3編制的，主要技術(shù)內(nèi)容基本相同，但JJG 151—2006和JJG 148—2006依據(jù)的是ISO 6507的1997年版，而GB/T 4340.2—2012和GB/T 4340.3—2012依據(jù)的是ISO 6507的2005年版，兩者還是存在一定差異，如GB/T 4340.3—2012規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)塊的標(biāo)定周期為5a(年)，而JJG 148—2006規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)塊首次檢定周期為1a，復(fù)檢周期為2a。此外，目前ISO 6507系列標(biāo)準(zhǔn)都是2018年版的，我國計量檢定機(jī)構(gòu)大量使用的JJG 151—2006和JJG 148—2006嚴(yán)重滯后于國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象應(yīng)及時糾正。

 

3.3 各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)溫度不同

 

試驗(yàn)溫度變化對金屬材料的維氏硬度有較大的影響，一般來說，溫度升高測得的硬度偏低，反之偏高。為使維氏硬度數(shù)據(jù)能再現(xiàn)，維氏硬度試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)都對試驗(yàn)溫度進(jìn)行了明確的規(guī)定，但國內(nèi)外現(xiàn)行的維氏硬度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)仍存在試驗(yàn)溫度規(guī)定不一致的現(xiàn)象(見表2)。

 

表2 國內(nèi)外現(xiàn)行維氏硬度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)之間的試驗(yàn)溫度差異

 

從表2可看出，國內(nèi)外金屬材料維氏硬度方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試驗(yàn)一般在10~35℃下進(jìn)行，對于溫度要求嚴(yán)格的試驗(yàn)，ISO和JIS規(guī)定試驗(yàn)溫度應(yīng)為(23±5)℃，ASTM未給出具體范圍。除ISO 9015-2：2016外，ISO和我國的焊縫維氏硬度標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定試驗(yàn)應(yīng)(或宜)在(23±5)℃下進(jìn)行，而AWS和JIS規(guī)定按相應(yīng)的材料維氏硬度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，即一般在10~35℃下進(jìn)行，對于溫度要求嚴(yán)格的試驗(yàn)應(yīng)取(23±5)℃。

 

為了分析試驗(yàn)溫度對金屬材料焊接接頭力學(xué)性能的影響，研究人員取Q355B鋼為母材，使用焊絲ER50C6(?1.2mm)，采用氣體保護(hù)焊對其進(jìn)行焊接，然后將焊接接頭分別在10℃和35℃條件下進(jìn)行橫向拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

 

表3 焊接接頭在10℃和35℃下的抗拉強(qiáng)度

 

根據(jù)GB/T 33362—2016/ISO 18265：2013《金屬材料 硬度值的換算》表A.1可得出Q355B這類非合金鋼硬度與抗拉強(qiáng)度的換算關(guān)系(見表4)。

 

表4 Q355B鋼抗拉強(qiáng)度與維氏硬度換算表

 

結(jié)合表3和表4可知，10℃和35℃下抗拉強(qiáng)度平均值僅相差18MPa，對應(yīng)的維氏硬度約相差6HV10。查ASTM E92—2017，得到200HV10水平下試驗(yàn)方法的重復(fù)性限r(nóng)為6HV10，再現(xiàn)性限為8.5HV10，由此可見，在10~35℃時，維氏硬度隨溫度變化不大，從試驗(yàn)成本、效率和準(zhǔn)確度綜合考量，維氏硬度試驗(yàn)溫度規(guī)定為：“試驗(yàn)一般在10~35℃室溫下進(jìn)行，對于溫度要求嚴(yán)格的試驗(yàn)應(yīng)取(23±5) ℃”較為合理。表2列出的ISO 9015-2：2016與ISO 9015-2：2003兩個版本的區(qū)別也說明了這一點(diǎn)。

 

04結(jié)束語

 

我國現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)基本采用ISO標(biāo)準(zhǔn)，從數(shù)量上已經(jīng)逐步和ISO國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，但與國際標(biāo)準(zhǔn)相比較，部分標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)齡較長，需加快修訂，以進(jìn)一步完善標(biāo)準(zhǔn)體系，使標(biāo)準(zhǔn)體系朝著更加系統(tǒng)化、規(guī)范化方向發(fā)展。此外，我國現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)仍需進(jìn)一步提高標(biāo)準(zhǔn)化水平，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)之間的方法統(tǒng)一，即應(yīng)加強(qiáng)相互引用，而不應(yīng)單個標(biāo)準(zhǔn)自成體系。同時，要在盡可能使用國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的同時，不斷追蹤國外先進(jìn)技術(shù)成果和先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，及時研究各國標(biāo)準(zhǔn)新動態(tài)，加快標(biāo)準(zhǔn)的更新速度，為我國焊接行業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展創(chuàng)造良好條件。

 

作者：翟蓮娜1,2，金靜靜1,2

單位：1.上海材料研究所；

        2.上海市工程材料應(yīng)用與評價重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室