GB／Z 41107.3-2021  金属材料焊缝破坏性试验 焊件的热裂纹试验 弧焊方法 第3部分：外载荷试验

表2外载荷热裂纹试验及其应用（续）

然而，由于不同的实验室采用的设备和试验步骤是非标准化的，实验室间绝对再现性受限；实验室 内使用一致的步骤和同样的设备，重复性通常较好。 研究母材时，可调拘束试验和程控平板拉伸试验采用钨极情性气体保护焊（TIG焊）进行焊接，同 时对所形成的热影响区施加应变；热拉伸试验通过电加热试样，并对试样的热影响区施加应变，从而进 行裂纹敏感性评价。 研究焊缝金属时，可调拘束试验和程控平板拉伸试验采用适当的电弧焊方法熔敷一条焊缝，在焊缝 凝固时施加应变，检测焊缝产生的裂纹；热拉伸试验从多道焊接头中制取试样，按照6.1.1规定的方法 通过测定的力学性能进行评价。 研究多道焊焊缝时，也可使用可调拘束试验和程控平板拉伸试验，先制备多道焊熔敷金属的试样， 然后采用与母材试验中类似的TIG焊方法再次加热焊缝金属，对形成的热影响区进行试验。 虽然给定的试件中可能出现不止一种类型的热裂纹，但某种裂纹（如凝固裂纹）产生后会造成试验 应变降低到一定程度，导致其他类型的热裂纹不能产生。因此，试件中未见某种裂纹，并不意味着实际 应用中没有产生这种裂纹的风险。 横向可调拘束试验主要通过施加与焊缝长度方向垂直的横向应变来评定焊缝金属凝固裂纹的敏感 性。试验中如产生其他类型热裂纹，应在试验报告中说明

试验使用圆形横截面拉伸试样，在模拟焊接热循环条件下进行拉伸试验，以测定材料热裂纹敏感 性，试样可能在模拟焊接热循环中任一时刻突然断裂。 方法A是使用若干试样模拟熔化焊热循环，将拉伸试样加热至熔化温度，来研究试样在不同拘束 应变条件下的凝固裂纹敏感性。 方法B是通过模拟热影响区热循环来评定液化裂纹敏感性，在试验过程中仅将试样加热至零强度 温度（NST)而非熔化温度，母材热影响区液化裂纹与多道焊道间热影响区液化裂纹的试验步骤相同。 方法A和方法B主要用于焊缝金属热裂纹研究，再现性好

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水利技术论文试样尺寸及焊接接头的位置见图1

图1热拉伸试验的试样尺寸

试样应在密闭室内加热。加热室先抽真空，再用任何适宜的方法填充氩气等惰性气体，以避免试样 在高温时过度氧化，确保试验开始时气氛中氧气含量不超过0.1%

6. 1.4 试验步骤

试样温度测量可选用直径为0.2mm/0.25mm的铂佬热电偶，用储能点焊将热电偶固定在试样长 度的中间位置并垂直于试样轴向

6.1.4.2方法A凝固裂纹模拟试验

将直径为10mm的试样安装在水冷铜 加热沃将试样加热全熔点。米用案 配合的石英管防止试样中心部分在接近熔点时塌。在凝固和之后的冷却过程中钳口保持固定，以使 试样在收缩应变/拘束条件下诱发裂纹 后续试验可在热循环后施加可控压缩，以建立避免开裂所需的位移量

5.1.4.3方法B—液化裂纹模拟试验

为测定零强度温度（NST），将直径为6mm的试样以约50℃/s的速率（对于某些合金可开至 250℃/s）加热至低于固相线温度50℃～100℃后，以约2℃/s的速率继续加热，同时施加约100N的 恒定载荷拉伸至试样断裂。 热延性通过“加热”试验和“冷却”试验测定。对于“冷却”试验，试样应加热至NST，然后冷却至试 验温度进行拉伸试验。对于“加热”试验，仅需加热试样至试验温度，然后以50mm/s的拉伸速率施加 载荷。加热和冷却速率应与模拟的焊缝金属经历的热循环相对应。 在加热过程中，应允许试样自由膨胀。如果实践中的数据可用，使用设备程序能模拟焊接应变。在

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冷却过程中，应充许试样自由收缩或施加可控压缩，最终得以确定延性恢复温度（DRT）。对试样轴向 收缩的补偿，可作为防止试样开裂所需应变的量值 建立可靠的热延性曲线通常至少需要12个试样

图2热拉伸试验结果示例

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6.2可调拘束试验和横向可调拘束试验

可调拘束试验和横向可调拘束试验是利用熔敷焊缝凝固同时施加应变，来评定母材、焊接材料和焊 件的热裂纹敏感性， 可调拘束试验沿试验焊缝纵向施加载荷，能够评定凝固裂纹、液化裂纹和失延裂纹（如表2所示）。 横向可调拘束试验沿试验焊缝横向施加载荷，主要用于评定母材、TIG焊再次熔化的熔敷金属、试 验过程中焊接的熔敷金属的凝固裂纹敏感性。 两种试验方法的基本原理示意见图3，试验装置及使用辅助弯曲板图例参见附录A。试验方法的 优点是试验简单和结果评价快捷。采用专用设备实现对试样施加应变与焊接同步操作。由于试验设备 存在明显差异，实验室间结果再现性可能受限

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图3可调拘束试验和横向可调拘束试验原理图

实验室内在使用同一试验设备时，试验结果离散度小、重复性好。试验能用于材料分级，与已知裂 敏感性的材料进行比较，能辨别试验材料成分和/或焊接条件的微小变化。在给定试验条件下，少量 式验即可获得有用的数据，通常为图4a）中的①区、②区和③区

试样尺寸不做规定，取决于试验材料、试验的确切性质和试验设备的承载能力。 可调拘束试验： 常用的平板试样尺寸，长度l为80mm~300mm，宽度w为40mm~100mm，厚度t取决于 试验材料和试验设备的承载能力。 横向可调拘束试验： 一典型试样尺寸，长度1为100mm，宽度w为40mm，厚度t为10mm。 注：除了薄板材料和管材以外，也可选 他试样尺寸，能够进行纵向、横向焊缝试验

试样尺寸不做规定，取决于试验材料、试验的确切性质和试验设备的承载能力。 可调拘束试验： 常用的平板试样尺寸，长度l为80mm~300mm，宽度w为40mm~100mm，厚度t取决于 试验材料和试验设备的承载能力。 横向可调拘束试验： 典型试样尺寸，长度l为100mm，宽度w为40mm，厚度t为10mm。 注：除了薄板材料和管材以外，也可选用其他试样尺寸，能够进行纵向、横向焊缝试验，

标准试验程序是在母材或焊接熔敷金属上用TIG焊重熔一条焊道， 焊接参数可根据特定的应用进行选择，标准的焊接参数为： 电弧电压12.5V，焊接电流85A，焊接速率18cm/min（低热输入）； 电弧电压13.5V，焊接电流205A，焊接速率11cm/min（高热输人） 使用的焊接参数应做记录

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在TIG焊电弧运行到达设定点（通常是试样中心)时，将试样在曲率半径为R的弯曲模上弯曲变形， 见图3。弯曲力通常由液压加载，速率控制为不低于1.8mm/s，弯曲力施加程序自动与焊接操作同步。 弯曲应变由公式（1）计算：

典型的弯曲应变选取范围为0%～4%，如图4a）。推荐选取3个应变水平（例如0～1%，1%～2% 和2%～4%），并根据公式（1）选取弯曲模的曲率半径。

每一次试验完成后，按图4b)截取试样并放大25倍检查，测定所有可见的热裂纹总长度（Lot），并绘制 热裂纹总长度Ltot与弯曲应变ε的关系曲线，该曲线的相对位置可用以评价热裂纹敏感性，见图4a)。 对于横向可调拘束试验，可绘制类似的热裂纹总长度Lot与表面弯曲应变ε的关系曲线。 图4a)仅示例如何将热裂纹数据与已知焊接性相关联，说明可划分出裂纹敏感性“低”“中”“高”三 区，并不表示任何对材料焊接性或热裂纹敏感性的绝对评定。 试验施加的应变与实际制造中焊接接头经受的应变难以对应，因此，推荐试验应用于新材料或焊缝 时，与实际工况中已知裂纹敏感性的材料进行对比

4可调拘束试验和横向可调拘束试验结果示例

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标引序号说明： 热裂纹总长度： 弯曲模曲率半径/（弯曲模曲率半径十试样厚度），即R/(R十t)； 可调拘束试样： 长度测量，体视显微镜（25倍）：Lo=l1+l2++l； 熔合区裂纹； 开始施加弯曲力时熔池位置； 弧坑； 固液界面：

6.3程控平板拉伸试验

用于裂纹检查的截取部位； 10———热影响区裂纹； 一设定点； 一收弧点。 ①区：抗热裂纹（低敏感性）； ②区：热裂纹风险上升（中敏感性） ③区：热裂纹风险高（高敏感性）

图4可调拘束试验和横向可调拘束试验结果示例（续

面沿纵向机加工和磨削，表面粗糙度应不大于6.3um。表面应没有垂直于焊接方向的划痕，以免诱发 伪裂纹。将平板拉伸试样煌接到一个专用夹具中，以确保拉伸试验设备实现试样程控变形

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图5程控变形裂纹试验（PVR试验）试样

试验包括焊接和拉伸程序，采用恒定速度焊接，拉伸速率（VpvR）从零开始线性增加，达到70mm/min 时结束试验。尽管标准形式是焊缝平行于应变方向，也可检测垂直于应变方向的焊缝， 试验结束后，在25倍的显微镜下检查试样上的焊道，确定与每种类型的第一条热裂纹对应的拉伸 速率，即临界拉伸速率Verit，见图6。

标引序号说明： —第一条热裂纹； 焊接速率。

图6程控变形裂纹试验（PVR试验）

试验报告应至少包括以下内容： a）本文件编号； b）试验类型； c) 母材类组、牌号，焊接材料型号/牌号； 试件/试样标识； e) 试件/试样尺寸； f) 焊接条件； g） 任何特殊的试验条件； h) 试验结果（针对进行的试验）

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白砂糖标准A.1可调拘束试验装置

（资料性） 可调拘束试验装置及使用辅助弯曲板图例

一种可调拘束试验装置示例如图 试样的夹固以及弯曲的方式取决于设备制 根据公式（1)选用一系列半径的弯曲模用 不同的应变量级

图A.1可调拘束试验装置图例

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采用辅助弯曲板可以更好地推动试样贴合弯曲模，避免焊接熔池附近发生局部弯曲。一般可 mm厚、与试样等长等宽的两块轧制钢板，分别压在试样两侧固定，如图A.2所示，向下施加弯曲 铺助弯曲板与试样一起弯曲。