彭言言 ，吕晓春 ，徐 锴 ，安洪亮 ，侯永涛 ，2
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机械装备失效的原因除少数是结构设计以及选材不合理外，主要是产生了焊接缺陷。焊接缺陷包括气孔、未熔合、热裂纹、冷裂纹等，其中热裂纹占很大比重。热裂纹包括液化裂纹、结晶裂纹与高温失塑裂纹［1］，液化裂纹尺寸较小却容易成为冷裂纹、再热裂纹、脆性破坏和疲劳断裂的发源地［2］，在各领域都带来了严重的危害。在航天航空领域，航天发动机片叶冠顶面易产生焊接热影响区（HAZ）液化裂纹，造成飞行事故［3］；
在日常生活中，电梯主驱动轴焊接热影响区熔合线附近由低熔共晶产物引起的液化裂纹常导致电梯事故［4］，因此研究焊接结构的液化裂纹是非常有必要的。
液化裂纹是在多层多道焊的前序焊道或热影响区固态金属内部晶界附近，在加热过程中出现化学元素低熔点组分偏析，或晶界存在低熔点共晶相并且此处晶界优先熔化，在冷却过程中，液态薄膜不足以支撑收缩应力的作用从而被拉开而产生的裂纹［5］。液化裂纹均为沿晶开裂，裂纹尖端较为圆钝，且尺寸很小，长度一般都在0.5 mm以下，个别可达1 mm左右［6-7］。影响裂纹开裂的主要因素是热与力，当二者同时达到开裂所需的临界值时则发生开裂。根据试验力的来源热裂纹试验分为自拘束试验（Self Restraint tests）和外载荷试验（Externally Loaded tests）两大类。自拘束试验是通过拘束试件在焊接过程使用刚性固定来产生变形应力，外载荷试验是通过特定试验设备施加外部试验力而使试样产生应变［8］。
总而言之，由于合金元素的偏析、低熔点共晶或晶界沉淀发生熔化，局部延性不足以支持任何强加的应变时，就会产生液化裂纹［9-10］，液化裂纹的存在影响了结构的完整性，制约着材料的推广应用。国内外学者已对热裂机制相关内容进行了大量研究［11-12］，也出现了众多评价液化裂纹敏感性的试验方法。因此，本文综述了几种常用的焊接液化裂纹敏感性评价试验方法及判据，并对液化裂纹敏感性评价试验方法的发展做出展望。
1.1 十字搭接裂纹试验方法
十字搭接裂纹试验方法，又名刚性十字形接头焊接裂纹试验方法。该方法用于评价厚度1～3 mm的铝合金、高温合金、镁合金、不锈钢及船体结构用钢等钨极氩弧焊及焊条电弧焊薄板的热影响区液化裂纹敏感性。常用试样尺寸为100 mm×60 mm×2.5 mm，先将腹板、翼板装配并进行点焊固定，接着按照图1中顺序和方向继续焊接，冷却2 h后检查热影响区是否存在裂纹，裂纹多出现在第3道焊缝的起弧区及第4道焊区，通过焊后产生的表面裂纹率来评价液化裂纹敏感性的大小［13］。其试验装置如图1所示。
图1 十字搭接裂纹试验装置及试件［13］Fig.1 Device and specimen cross lap welding crack susceptibility test［13］
表面裂纹率C按式（1）计算，此指数可定性评价材料液化裂纹敏感性。
式中 ål为4条试验焊缝裂纹长度之和；
åL为4条试验焊缝长度之和。
十字搭接裂纹试验方法经常与其他外载荷试验相结合来评价材料的焊接性。张子文等［14］使用十字搭接裂纹试验方法与点加热变拘束试验，焦好军等［15］、温斯涵等［16］使用十字搭接裂纹试验方法与热延性试验对Al-Mg-Si合金及铝合金等材料液化裂纹的敏感性进行了比较，使用表面裂纹率（Crack Rate，CR）、最大裂纹长度（Max Cracking Length，MCL）等作为液化裂纹敏感性评价指标，得出试验材料在焊接时应采取的冶金与工艺措施，建立了材料脆性温度区间和焊接性的关系以及焊丝主成分和焊接性的关系。
1.2 焊缝金属拉伸试验
焊缝金属拉伸试验（Weld Metal Tensile Test）是对取自对接焊缝中的圆形横截面（直径10 mm）熔敷金属试样施加试验力直至断裂的一种方法［17］。该方法通过检查断口邻近区域所有裂纹，使用微裂纹敏感性指数（Micro-crack susceptibility index，MSI）MSI（TT）定量评价材料的液化裂纹敏感性，金属拉伸试样与检查区如图2所示［18］。
微裂纹敏感性指数（拉伸试验）MSI（TT）按式（2）计算：
式中LMF为所有检测长度大于0.1 mm的裂纹总长度。
1.3 纵向弯曲试验
纵向弯曲试验（Longitudinal Bend Test）的试样是沿对接焊缝纵向制取，当材料在某一温度区间内所受应变超过热影响区本身的塑性变形能力时则产生液化裂纹。纵向弯曲试验是焊缝凝固后期通过弯曲施加应变来研究材料液化裂纹敏感性，是自拘束试验中常用的方法，可直接定性评价材料液化裂纹，也可使用微裂纹敏感性指数MSI（LBT）进行定量评价［19-22］，取样位置如图3所示。微裂纹敏感性指数（纵向弯曲试验）MSI（LBT）按式（3）计算。
图3 纵向弯曲试样取样位置［18］Fig.3 Sampling position of longitudinal bending specimen［18］
式中b为试样宽度；
l0为试样原始标距。
1.4 小结
综上，十字搭接裂纹试验多用于刚性十字形接头焊缝及热影响区液化裂纹敏感性的研究，判定液化裂纹主要是根据裂纹产生位置。在焊缝中心产生的裂纹认为是结晶裂纹，在热影响区产生的裂纹认为是液化裂纹，但在多层多道焊重热区产生的裂纹需借助显微镜进一步判定，且十字搭接裂纹试验所用试样尺寸较大，适用性不强。焊缝金属拉伸试验与纵向弯曲试验都取样于材料的对接焊缝，所用试样尺寸较小；
纵向弯曲试验适用于所有电弧焊方法焊接的多道焊焊缝金属，不仅可以定性评价，还可以定量评价材料液化裂纹敏感性，是自拘束试验中使用较多的方法。
2.1 热延性试验
热延性试验又称为高温拉伸试验（Hot Ductil‐ity Test）［23］，使用热物理模拟试验机对直径6 mm、长度110 mm的圆形横截面试样进行拉伸以模拟热影响区热循环来评价材料液化裂纹敏感性，试样尺寸如图4所示，试验过程如图5所示［24］。试验包括加热与冷却两个过程，在加热过程测定零强度温度（Nil Strength Temperature，NST），认为此温度点是发生断裂的温度，金属强度接近零，加热过程还需测定零延性温度（Nil Ductility Temperature，NDT），此温度认为延性为零，本质上为晶界开始熔融，表面出现液态薄膜；
在冷却过程测定延性恢复温度（Ductility Recovery Temperature，DRT），即将试样加热到NDT和NST之间，以规定速率冷却至试验温度进行拉伸加载，延性恢复至可测量时的温度；
通过绘制热延性曲线，计算液化裂纹敏感温度区间即NST与DRT的温度差值来评估液化裂纹敏感性，裂纹敏感温度区间越大，代表材料液化裂纹敏感性越大。热延性试验结果示例如图6所示［25］。
图4 热延性试验的试样尺寸［24］Fig.4 Specimen size of hot ductility test ［24］
图5 热延性试验示意［24］Fig.5 Schematic diagram of hot ductility test［24］
图6 热延性试验结果示例［25］Fig.6 Example of hot ductility test results［25］
热延性试验具有程序可控化、运行精度高、参数范围广、过程可视化的特点，可反复模拟实际构件的受热与受力情况，从而精确再现材料的微观结构和宏观状态，因此近年来得到了广泛使用。Lip‐pold等［27］提出热延性试验可使用脆性温度区间（Brittle Temperature Range，BTR）评价材料液化裂纹敏感性，此温度判据已获得多数学者的认可。Caron等［25］针对HY系列、HSLA系列和BA系列典型的船用高强钢进行了液化裂纹敏感性研究，采用热延性试验方法获得了BA-160液化裂纹敏感温度区间（Liquid Crack Temperature Range，LCTR），并认为其敏感性较高。常凤华等［28］采用热延性试验、可调拘束试验高温设备用改进型不锈钢焊接性进行了评价，发现热延性试验延性恢复比判据（Ratio of Ductility Recovery，RDR）与可调拘束试验MCL判据具有良好对应关系。材料液化裂纹敏感性还可根据“极限抗拉强度-断面收缩率”曲线获得延性恢复率（Ductility Recovery Rate，DRR）和零延性温度区间等进行评价。
但热延性试验方法冷却速度与真实焊接情况相比较慢，且试样表面温度和内部温度存在一个温度梯度，当试样径向尺寸较大时温度相差很大，难以反映试样焊接时的真实情况；
此外，实际焊接过程中开裂初期会有其他液相进行填补，而模拟时无液相进行填补，因此只能用于各材料之间基础性能对比研究，无法反映实际焊接情况，对于两种状态下液化裂纹敏感性结果是否具有一致性还需进一步研究。
使用热延性试验评价时，重点是如何准确获得NST、NDT、DRT数据。LCTR是NST与DRT的差值，其中NDT的试验温度是根据NST值来确定的，且DRT的试验温度是加热到NST与NDT之间，因此NST的结果尤为重要。大量研究结果表明，不同材料、不同研究者确定NST的试验程序差异较大，例如试样尺寸、拉伸载荷大小、拐点温度、升温速率等参数目前无详细规定，且难以控制，需要研究人员进行大量试验对比摸索、不断优化。
2.2 程控平板拉伸试验（PVR试验）
程控平板拉伸试验（Programmierter Verformungs test，PVR）是根据Prokhorov热裂理论［29］发展来的。其过程是采用单个平面拉伸试样，在可编程的水平拉伸试验机上进行拉伸，只需单一试样（300 mm×40 mm×10 mm）就可确定母材或焊缝金属的液化裂纹敏感性。该试验与纵向可调拘束试验存在根本的不同，PVR试验拉伸速率是线性增加的，而纵向可调拘束试验是通过弯曲瞬时加载施加的。此方法以第一条液化裂纹出现的临界拉伸速率Vcrit作为液化裂纹敏感性判据，Vcrit与材料的临界应变速率具有相关性，Vcrit越大测试材料对发生液化裂纹的阻力越大，所测样品的抗裂性越好。程控平板拉伸试验如图7所示［30-31］，临界拉伸速度Vcrit通过式（4）计算：
图7 程控平板拉伸试验示例［30］Fig.7 Program-controlled deformation crack test［30］
式中Vcrit为临界拉伸速度；
¶为平板拉伸的加速度；
L1stHC为第一条裂纹出现的距离；
VW为焊接速度。
Fink等人［32］采用PVR试验研究了奥氏体、双相不锈钢、AISI 304系列与镍基合金焊缝的液化裂纹敏感性，结果表明应变和应变速率对液化裂纹形成具有显著影响，并对材料进行了材料评级。
PVR试验过程简单，试验设备专业性不高，能够量化常规电弧焊工艺产生的液化裂纹敏感性；
试验重复性好，离散度小，当评价高敏感性材料，单次试验即可清晰区分三种热裂纹。但该试验方法只适用于高延伸率的材料，这也限制了试验适用范围。
2.3 纵向可调拘束试验
纵向可调拘束试验（Varestraint Test）是20世纪60年代中期由美国学者Savage和Lundin等［33］开发的，利用反映实际焊接情况的程序来研究材料、焊接工艺以及拘束因素对热裂行为的影响［34］。此方法可用来评价碳钢、低合金钢、不锈钢、铜合金、铝合金等金属的液化裂纹敏感性，其过程是将试板放在相关装置上，焊接开始时沿焊缝纵向方向在模具周围以规定弯曲速率进行弯曲达到预定的应变，纵向可调拘束试验如图8所示［35］。应变（ε）的大小取决于材料的厚度m和模块半径R，对应关系如式（5）所示。
图8 纵向可调拘束示意［35］Fig.8 Schematic diagram of longitudinal adjustable restraint［35］
式中t为试样厚度；
R为模块的曲率半径，通过改变模块半径即可简单地改变所增加的应变［36-37］。
纵向可调拘束试验常使用最大裂纹长度MCL、液化裂纹温度范围ΔTc、裂纹总长度（Total Cracking Length，TCL）、最大裂纹距离（Maximum Crack Dis‐tance，MCD）等作为判据来评价材料液化裂纹敏感性。
纵向可调拘束试验在焊接过程中利用弯曲有效诱导试样表面区域产生液化裂纹，使评价得以可靠进行。但判据需要在相同条件下测试3个试样来绘制应变曲线，所需试样尺寸较大，数量较多；
且由于可调拘束机参数不同造成试验结果也不尽相同，没有国际统一标准，因此在评价液化裂纹敏感性方面通用性较差。
2.4 点拘束试验
点拘束试验（Spot Varestaint Test）是Lin等［38］在可调拘束试验基础上为评价奥氏体不锈钢液化裂纹敏感性发展的，与用于评价结晶裂纹的横向可调拘束试验不同，点拘束试验使用固定点焊来产生稳定热影响区。点拘束试验如图9所示。
图9 点拘束示意［38］Fig.9 Schematic diagram of point restraint ［38］
通过绘制最大裂纹长度MCL与应变的关系图，确定一个“饱和应变”，即增加应变MCL不发生变化的应变，在熔池里放入热电偶就可获得热影响区温度梯度，接着用MCL与温度梯度GT相乘可获得易发生液化开裂的温度范围，从而得到试样易发生液化开裂的区域，即裂纹敏感区域（Thermal Crack-Susceptible Region，CSR），如图10所示，A-286与310合金相比，其液化开裂温度较宽，液化开裂CSR大。
图10 点拘束测得的A-286与310合金CSR［38］Fig.10 CSR of A-286 and 310 alloys measured by point restraint［38］
西本和俊、才田一幸和Saida［39-41］等人使用点拘束试验测试690合金及7种类型的HP改性合金的热裂纹敏感性，结果发现，与铸态相比，HP43AZ以外的合金在时效和使用条件下的延展性开裂敏感性显著增加，而在长期时效期间液化开裂敏感性没有太大变化。Chang与 Divya等人［42-43］使用点拘束试验评价690合金、铝合金焊接液化裂纹敏感性，结果表明裂纹数量随着增强应变的增加而增加。
该方法可以确定裂纹发生的精确温度范围，更易于测量材料之间的热影响区液化开裂敏感性，主要用于奥氏体不锈钢，也适用于镍基合金［44］。
2.5 小结
热延性试验可评价母材液化裂纹与焊缝液化裂纹敏感性，使用试样尺寸较小，对材料无要求，但由于是物理模拟，很大程度上不能反映出真实焊接过程；
PVR试验检测效率较高，多用于评价焊缝液化裂纹，但只适用于高延伸率的材料；
纵向可调拘束试验所需试样尺寸较大，且试验结果受可调拘束机的参数影响，没有统一标准；
点拘束试验使用材料较少，试验程序简单，多用于评价奥氏体不锈钢与镍基合金液化裂纹敏感性。
国内外学者提出了几种液化裂纹判据模型，包括非力学模型与力学模型。非力学模型包括敏感温度范围、热塑性曲线以及相图等；
力学模型包括应力、应变、应变速率及其对应的各个裂纹长度等。
3.1 温度范围判据
温度范围是评价液化裂纹敏感性最常用的判据。JOEL ANDERSSON等［45］提到热延性试验常使用脆性温度区间BTR，可调拘束常用零延性温度（Zero Ductility Temperature，ZDT）与液化裂纹温度范围 ΔTc。Caron［25］评价船用高强钢使用的液化裂纹敏感温度区间LCTR，林等［46］评价2195合金使用的NST-DRT（NST），K.Łyczkowska等［47］评价713合金使用的高温脆性范围（High Temperature Brittleness Range，HTBR）HTBR=NST-DRT，SHI S等［48-49］评价耐热不锈钢使用的NST-DRT（TP）与零延性温度ZDT，Srinivasan M G等［50-51］评价硼化不锈钢与Xin‐qiang W［52］评价高氮不锈钢使用的零延性范围（Nil Ductility Range，NDR）NDR=NST-DRT都是同一种判据，属于温度范围判据。
温度范围判据衍生出来的还有比例判据。如常凤华［28］等评价316不锈钢使用的塑性恢复速率RDR，Ganesan Srinivasan评价高氮不锈钢使用的裂纹指数CF=（NST-DRT）/NDT×100%，Łyczkowska K评价713合金使用的裂纹指数Rf=（TL-NDT）/NDT，常用判据示意如图11所示。分析认为这些温度范围参数（BTR、DRR和RDR）均与晶界液化的形成有关，BTR和RDR参数反映了某一温度范围内的热延性响应，且温度范围越大，裂纹指数越高，材料液化裂纹敏感性越高。在其他的研究中也证实了使用温度区间作为液化裂纹敏感性判据的可靠性［53-54］。
图11 液化裂纹敏感性温度区间判据Fig.11 Schematic diagram of temperature range criterion for lique‐faction crack susceptibility
3.2 裂纹长度判据
裂纹长度判据是指热影响区和熔合区内产生的裂纹。最大裂纹长度MCL或最大裂纹距离MCD与脆性温度范围（BTR）有着良好的对应性，因此也常作为液化裂纹敏感性判据，如图12所示。
图12 液化裂纹敏感性裂纹判据示意［38］Fig.12 Schematic diagram of liquefaction crack sensitive crack criterion［38］
Statharas D 等［55］、路文江等［56］、邹茉莲等［57］、Dupont J等［58］以及潘永明等［59］分别使用纵向可调拘束试验评价了高强铝合金、镍基合金、API-5L等材料的液化裂纹敏感性，试验结束后观测试样表面，使用最大裂纹长度MCL进行评价；
也有研究者使用液化裂纹温度范围ΔTc、脆性温度区间BTR、裂纹总长度TCL、最大裂纹距离MCD、临界应变量ε等作为判据来评价裂纹敏感性，经对比发现裂纹长度判据中MCL与TCL多作为液化裂纹敏感性判据。
3.3 其他判据
除温度范围和裂纹长度，还有应力、应变、应变速率等参数也可作为评价液化裂纹敏感性的判据。
Eskin D G［60］等提出的应力解析模型可定量分析热应力与液化裂纹敏感性的关系，认为应变速率对液化裂纹的萌生和扩展起着相对直接的作用，数值越高，抗裂性能越好。如PVR试验的Vcrit判据，Vcrit越大，试验材料对热裂纹发生的阻力越大，说明所试验样品的抗裂性越好；
纵向可调拘束试验使用的临界应变量、临界应变速率以及临界应变增长速率（Critical strain rate for Temperature drop，CST）也可以评价其液化裂纹敏感性。其中CST对应于引起开裂所需增大应变的最小值，随着应变增大在此饱和应变上最大裂纹长度保持不变［61］。
还有一些针对特定材料的评价方法，如横向拘束环形焊缝裂纹试验，用来评价镁合金焊缝液化裂纹敏感性，其判据基于利用热力学计算软件获得T-fs曲线判断母材与焊缝强化的先后顺序来评价液化裂纹率［62-63］。
各个判据间并非孤立不相通的，如纵向可调拘束试验方法中的温度范围判据与裂纹长度判据，通过更换曲率模块，不断增加外加应变量ε，Lmax也随之增长，但ε增大到某一数值后，Lmax就基本上趋于一个定值，此时Lmax所对应的温度区间即为材料产生热裂纹的脆性温度区间BTR。
3.4 小结
不同试验方法对应的判据有所差异，热延性试验多用温度范围判据，纵向可调拘束试验倾向于使用裂纹长度判据，特定材料也有其特定的方法和判据。温度范围判据可较好地反映不同材料间液化裂纹敏感性高低，但其确定程序较为繁琐，需要大量研究来确定详细的试验参数；
裂纹长度判据也能较好地反映材料的液化裂纹敏感性，但一些裂纹可能存在于材料内部特别是焊根区，总裂纹长度能否真实快速反应液化裂纹敏感性还有待证实。
（1）自约束试验相对简单，无需专门的试验设备，其结果多是定性的。但为了评估焊接工作参数的影响，需要进行大量的测试，耗时又昂贵，不适合在实验室中研究关键变量对材料液化裂纹敏感性的影响。
（2）外载荷试验可定量评价材料液化裂纹敏感性，需要专门的设备和程序，各方法之间无法直接进行比较，可重复性很差。在prEN/ISO和GOST标准描述的试验中，较为标准的是热延性试验与PVR试验，试验材料较少、可重复性高，且相对简单，有利于未来发展有限元模拟手段来评价材料液化裂纹敏感性。
（3）液化裂纹是在高温下塑性降低的结果，温度范围和裂纹长度可作为评价液化裂纹敏感性的判据。由于实际开裂机制的复杂性，个别试验的多样性，以及单一形式标准化的困难性，对于不同试验间判据的准确关联未来还需要进一步研究，这将为液化裂纹评价试验方法和敏感性判据相关的通用标准奠定基础。
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