[发明专利]一种基于复合拘束的横向裂纹敏感性试验装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于复合拘束的横向裂纹敏感性试验装置，包括拘束框架和加热装置，拘束框架包括两个拘束板和设置在两个拘束板之间的支撑柱组，焊接有试验焊道的焊接试板设置在两个拘束板之间，试验焊道的方向与拘束板垂直，并且，焊接试板的两个端面以及试验焊道的两端均分别与两个拘束板固定连接。本发明还公开了基于该试验装置的试验方法：首先在拘束框架内为试验焊道施加一个与试验焊道方向平行的自拘束拉伸应力或应变，之后通过给支撑柱加热伸长的加载方式给试验焊道继续施加更高数值的拉伸拘束应力或应变。本发明能在实验室内模拟环境和拘束条件，再现实际工程结构多层多道焊接横向裂纹，同时操作简单，以低成本提供较大吨位的外部拘束力。

技术领域

本发明涉及焊接裂纹敏感性评价技术，特别涉及一种外部拘束与自拘束相结合的横向裂纹敏感性试验装置及方法。

背景技术

当前，在建筑、桥梁、船舶与海洋工程、工程机械、电力、冶金、石油化工等各行业中，焊接结构正迅速地替代其他结构形式而渗透到各相关领域，相应地对焊接结构制造质量与服役安全可靠性也要求越来越高，尤其是焊接裂纹控制等方面要求越来越高。即便如此，近几年国内外船舶与海洋工程、核电装备、化工容器与管道、油气长输管线、海上风电、深海潜器等一系列工程项目和科学研究项目中出现大量焊缝横向裂纹，对工程项目和科学研究进度和质量安全构成重大威胁，也造成严重经济损失。有鉴于此，针对诸多高端装备与重大工程与科学设施，如何通过研发出具有极低裂纹敏感性的高性能焊接材料和焊接工艺，进而彻底消除焊缝裂纹，确保这些重大工程结构长周期安全、可靠服役，是国际焊接领域最核心、最关键的问题之一。

重大工程结构的焊接裂纹问题，尤其是毫米级范围的横向裂纹，是高性能船舶与海洋工程、核电装备、海上风电等工程结构制造领域的公认最危险和最棘手难题之一。国内外主要的海工企业都曾大量出现过焊接横向裂纹事故，一些产品出口到海外后才发现大量的延迟横向裂纹，造成惨重的经济损失。

大量研究和工程案例表明：焊接横向裂纹的影响因素众多而且非常复杂，主要出现在焊缝金属当中，在焊接热影响区出现较少；焊接横向裂纹既有热裂纹也有冷裂纹，但以冷裂纹为主，尤其是延迟冷裂纹是最大一类横向裂纹；这些横向裂纹产生机制用焊接裂纹经典理论难以解释，采用传统预防焊接裂纹措施经常无效，被工程焊接领域称之为“癌症”。例如，对于出现次数最多的延迟横向冷裂纹，除拘束应力或应变、扩散氢、淬硬组织三要素外，还与钢板强度等级和板厚、氮氧含量、夹渣物等多种因素有关。

正是由于影响焊接横向裂纹的因素众多，机制非常错综复杂、各种因素相互耦合或协同作用，因此发明一种可以在实验室内非常方便地再现多层多道焊缝金属横向敏感性的试验方法是研究焊接横向裂纹产生机制、开发具有极低裂纹敏感性的高性能焊接材料和焊接工艺的最关键技术之一。

目前已有的几种可用于焊接横向裂纹的试验方法，如G-BOP裂纹敏感性试验方法、刚性固定裂纹敏感性试验方法、可变拘束裂纹敏感性试验方法等，都存在诸多问题，很难在实验室再现多道多层焊横向裂纹的出现。例如，G-BOP方法是一种只适用于单道焊接横向裂纹敏感性的自拘束试验；刚性固定裂纹敏感性试验方法也是一种单纯自拘束的焊接裂纹敏感性试验方法，所能提供的拘束水平远低于实际工程结构，不能准确地再现工程现场焊接横向裂纹的出现。而可变拘束是一种通过试验机外加拘束的焊接裂纹敏感性试验方法，然而其一般采用液压和电子拉伸试验机提供外部拘束力或拘束应力，由于试验机吨位所限，所能施加的拘束力或拘束应力非常有限(一般不超过2000KN)，无法满足在实验室再现多层多道焊缝金属横向裂纹所需的拘束要求。即便采用10000KN以上的超大吨位试验机，由于其造价过于昂贵，致使试验成本极高而不具有可行性。也就是说，迄今为止，国际上尚缺乏一种可以在实验室内很方便地模拟环境和拘束条件，再现实际工程结构多层多道焊接横向裂纹的低成本试验技术。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于复合拘束的横向裂纹敏感性试验装置及方法，通过调节支撑柱的加热温度来调节焊缝纵向的拉伸拘束，本发明装置及方法可以在实验室内提供与实际工程结构相同的较大拘束。