用四点弯曲试验确定焊接接头的薄弱区

钱维平　李刚　马建坡

摘　要　 通过全厚度的四点弯曲试验确定了14MnNbq钢焊接接头的薄弱区，该方法简单直观，其结果得到了冲击试验的验证。
关键词　 弯曲试验　焊接接头　桥梁钢
分类号：TG407　　文献标识码：A
文章编号：1003-1545(2000)02-0023-03

Determination of the Weakness Zone of Welding Joint by doing Four-Point Bend Testing

Qian Weiping　Li Gang　Ma Jianpo
(Luoyang Ship Material Research Institute,Luoyang 471039,China)

Abstract　 The weakness zone of welding joint of 14MnNbq steel is determined by doing four-points bend testing with full thickness samples. The results of the testing which is simple and visual are further verified by Charpy impact test.
Keywords　 Bending test　Welding joint　Bridge steel

　　
　　焊接接头区域涉及到焊缝、热影响区及熔合线，其组织结构复杂，具有组织和性能的不均匀性。焊接接头3区的力学性能和断裂行为各不相同，在进行断裂或疲劳试验时，缺口位置不同的焊接接头必然得到不同的结果。而在防断分析或寿命估算时，通常选取焊接接头的最薄弱区作为分析对象。在本文中，通过四点弯曲试验确定了14MnNbq钢焊接接头的最薄弱区，该方法简单直观，并且还能进行全厚度试验。

1　试验材料及试样的制备

　　考虑到14MnNbq钢的厚度范围为16～50mm，我们选用了16mm和44mm两种规格的钢板, 并按该钢种的焊接工艺进行了施焊。
　　四点弯曲试样的外形尺寸见图1。对每个试样采用线切割的加工工艺，加工出两条平行缺口（缺口的宽度≤0.15mm）。16mm和44mm试样的缺口深度分别为12mm和22mm，缺口部位分别设在焊缝（位置定在焊缝中心线处，以符号A表示）、熔合线（距焊缝中心线最近的熔合线处，以符号B表示）以及热影响区（距焊缝中心最近和最远的熔合线之间的1/2处，以符号C表示）。这样，试样的缺口共有3种位置的组合方式，即A-B、A-C、B-C。试样的缺口部位见图2。

图1　四点弯曲试样外形尺寸

图2　四点弯曲试样缺口部位示意图

2　试验方法及试验结果

　　试验在普通的材料试验机上进行，试样的加载情况如图3所示。

图3　四点弯曲试样加载示意图

　　由于试样在上图所示的120mm的范围内受到相同的纯弯曲加载，可以认为两条等长的线切割缺口处于相同裂纹驱动力条件下。本试验是以缺口开裂为判据的，若某部位的缺口先开裂，则意味着它所在的区域比别的区域薄弱。考虑到试验结果是一个随机量，既具有规律性，又具有波动性，所以我们采用如下的判定方法确定薄弱区：选取两个试验温度，分别为-40℃和-20℃，在每个试验温度下，对不同的缺口组合（A-B、A-C、B-C）各进行5个试样的试验，记录每个试样的开裂部位。然后，累计各区在不同的试验温度下的断裂试样数量N，N值越大，则表明该区越薄弱，由此确定最薄弱区。表1给出了两个温度下各缺口部位的断裂次数NA、NB和NC。

表1　四点弯曲试验各区的断裂次数

温度／℃	NA：NB：NC
	16mm	44mm
－40	8：5：2	8：5：2
－20	6：6：3	5：6：4

　　由表1可以看出，16mm试样在-40℃时，焊缝处（A处）的断裂次数最多，其薄弱程度很明显，-20℃时A和B处的断裂次数相同，表明其薄弱程度相当。对于44mm试样，-40℃时A处的断裂几率也同样高于B、C两处的，-20℃时3个位置的断裂几率则趋于一致。
　　温度降低时，A处的薄弱趋势更明显，考虑到后续的其他断裂试验的温度大多是在-30℃～ -90℃之间，因此我们把A处（即焊缝处）定为焊接接头的薄弱区。
　　这个结果在14MnNbq钢的冲击试验中得到了证实。表2给出了各种厚度规格的焊接接头试样在-20℃和-40℃时的冲击吸收功。由表2可知，以-20℃和-40℃的冲击吸收功为参考值，焊接接头3个区（焊缝、熔合线和热影响区）韧性最低区的个数之比分别为4：4：2和6：2：2。可见，接头3个区的韧性最低区也是焊缝。

表2　14MnNbq钢焊接接头的韧性最低区1）

编号	厚度／mm	温度／℃	Ak/J			韧性最低区
			焊缝	熔合线	热影响区
11～13	16	-20 -40	40 25	83 37	68 38	焊缝 焊缝
21～23	16	-20 -40	54 29	64 33	87 74	焊缝 焊缝
31～33	24	-20 -40	94 45	72 47	82 57	熔合线 焊缝
41～43	24	-20 -40	106 37	148 102	194 91	焊缝 焊缝
51～53	32	-20 -40	129 74	77 62	148 35	熔合线 热影响区
61～63	32	-20 -40	65 51	115 24	126 65	焊缝 熔合线
71～73	44	-20 -40	104 67	128 53	57 35	热影响区 热影响区
81～83	44	-20 -40	110 87	91 94	115 124	熔合线 焊缝
91～93	50	-20 -40	120 83	144 62	115 107	热影响区 熔合线
101～103	50	-20 -40	120 92	103 100	155 100	熔合线 焊缝

注：1)每个编号有6个试样，分-20℃和-40℃两组，每组3个样。每个数据均为9个样的平均值。

3　结论 　　（1）用四点弯曲试验确定焊接接头薄弱区的方法简单直观，且可以用板材全厚度试样进行试验，更贴近工程实际。 　　（2）从总体情况看，14MnNbq钢焊缝是接头区域的最薄弱区，且薄板的这个特征比厚板的更加明显，建议在进行其他断裂试验时，对于30mm以下的板材，将缺口定在焊缝上。厚板的情况有待进一步考察。 钱维平（洛阳船舶材料研究所　洛阳　471039） 李刚（洛阳船舶材料研究所　洛阳　471039） 马建坡（洛阳船舶材料研究所　洛阳　471039）