预防层状撕裂节点形式及措施
浅谈焊接层状撕裂裂纹的成因和防治办法
浅谈焊接层状撕裂裂纹的成因和防治办法摘要：随着钢铁、石油化工、造船、轨道交通和电力等工业的发展，在焊接结构方面都趋向大型化、大容量和高参数的方向发展，有的还在低温、深冷、腐蚀介质等环境下工作。
因此，各种低合金高强钢，中、高合金钢、超强钢，以及各种合金材料的应用日益广泛。
但是随着这些钢种和合金的应用，在焊接生产上带来许多新的问题，其中较为普遍而又十份严重的就是焊接裂纹。
焊接过程中所产生的裂纹有多种多样，就目前的研究，按产生裂纹的本质来分，大体上可分为以下五大类：热裂纹、再热裂纹、冷裂纹、层状撕裂、应力腐蚀裂纹等，其中层状撕裂裂纹的危害性更为严重，由于层状撕裂在外观上没有任何迹象，无损检测手段又较难发现，即使能判断结构中又层状撕裂也很难修复，造成巨大经济损失，特别严重的是层状撕裂引起的事故往往是灾难性的。
如何防止层状撕裂的发生，是焊接应用中的一项重要课题。
关键词：焊接裂纹层状撕裂层状撕裂是一种内部的低温开裂。
仅限于厚板的母材金属或焊缝热影响区，多发生于“L”、“T”、“+”型接头中。
其定义为轧制的厚钢板沿厚度方向塑性不足以承受该方向上的焊接收缩应变而发生于母材的一种阶梯状冷裂纹。
一般是由于厚钢板在轧制过程中，把钢内的一些非金属夹杂物轧成平行于轧制方向的带状夹杂物，这些夹杂物引起了钢板在力学性能上的各向导性。
防治层状撕裂在选材上可以选用精练钢，即选用z向性能高的钢板，也可以改善接头设计形式，避免单侧焊缝、或在承受z向应力的一侧开出坡口。
1、层状撕裂的特点层状撕裂与冷裂不同，它的产生与钢种强度级别无关，主要与钢中的夹杂量和分布形态有关。
一般轧制的厚钢板，如低碳钢、低合金高强钢，甚至铝合金的板材中也会出现层状撕裂。
根据层状撕裂产生的位置大体可以分为三类：第一类是在焊接热影响区焊趾或焊根冷裂纹诱发而形成的层状撕裂。
第二类是焊接热影响区沿夹杂开裂，是工程上最常见的层状撕裂。
第三类远离热影响区母材中沿夹杂开裂，一般多出现在有较多MnS的片状夹杂的厚板结构中。
重型钢结构厚板焊接预防Z向层状撕裂的节点设计
重型钢结构厚板焊接预防Z向层状撕裂的节点设计摘要：建筑钢结构的迅速发展,使得钢结构厚板的应用越来越广泛。
随着钢板厚度及焊缝尺寸的增加,承受的荷载更加复杂,拘束作用更加突出。
由于局部地区频繁出现低温,钢结构厚板发生Z向层状撕裂的可能性也越来越大,因此对厚板的焊接性能进行研究,减少层状撕裂的发生尤为重要。
从层状撕裂产生的机理入手,通过对层状撕裂的影响因素进行探讨,从焊接工艺、焊接坡口形式、焊接材料的方面重点分析预防层状撕裂的措施。
关键词：厚板；焊接设计；层状撕裂；厚度方向性能1 概述中国西部国际博览城项目共分为5个展厅,各展厅主体由钢柱支承,其中D馆钢柱均为巨型箱型钢柱,翼缘板板厚60 mm,柱子顶端内部横竖筋板密集错杂,板厚30～40 mm不等,焊缝横竖交叉,无论是从施焊空间角度还是控制变形和层状撕裂角度都是难题,必须通过严谨的装焊顺序和合理的坡口设计才能攻破难题。
层状撕裂是短距离横向(厚度方向)的高应力引起断裂的一种形式,它可以扩展很长距离,层状撕裂大致平行于轧制产品的表面,通常发源于同一平面条状非金属夹杂物、具有高度撕裂发生率的母材区域。
一般低合金钢Z向(厚度方向)的伸长率比L向(轧制方向)低 30%～40%,因此当Z向存在拉伸应力时,很容易产生沿层状分布的夹杂开裂。
层状撕裂与热裂纹、冷裂纹的形成不同,是一种特殊的焊接裂纹。
从焊接接头断面上可以看出,层状撕裂和其他裂纹的明显区别是裂纹呈阶梯状形态,由基本平行轧制表面的平台和大体垂直于平台的剪切壁两部分组成。
层状撕裂之所以危险,在于它的隐蔽性与延迟破坏性。
层状撕裂不在焊缝上发生,只产生于热影响区或母材的内部,表面没有任何迹象,即使是现有的无损检测技术也难以发现。
层状撕裂既可以在焊接过程中形成,也可以在焊接结束后启裂和扩展,甚至还可以延迟至使用期间出现,基本上无法修复,所以层状撕裂通常会造成巨大的经济损失。
2 层状撕裂产生的原理及影响因素2.1 巨型钢柱结构形式该工程典型巨柱翼缘、腹板板厚60 mm,柱顶内部横竖向筋板板厚30 mm,此节点范围均为全熔透一级焊缝,焊接量大,构件截面见图1。
钢结构层状撕裂的预防措施
钢结构层状撕裂的预防措施（1）焊接接头坡口的设计焊接坡口的设计关系到拉伸应力场的强弱，是影响层状撕裂的关键因素。
从力学的观点分析：钢板一侧受力，产生层状撕裂的可能性远比两侧受力的机率小得多，截面积小的焊接坡口，产生层状撕裂的可能性远比截面积大的坡口小得多，焊缝少的焊接接头，产生层状撕裂厂的可能性比焊缝多的焊接接头要小得多，钢板内部的十字焊接接头，产生层状撕裂的可能性远比在钢板端部小得多。
在焊接接头和坡口的设计中，成功的因素完全服从于焊接应用技术理论，焊缝截面积的大小决定拉伸应力场的强弱，拉伸应力场的作用点会直接影响层状撕裂的产生。
这就是结构设计和深化设计所必须遵循的原则。
（2）抓好确认最佳焊接工艺关防止层状撕裂的产生，除正确的设计之外，必须有合理的焊接工艺作保证。
防止由冷裂纹引发的层状撕裂，可以采取防止冷裂纹相同的技术措施。
如适当预热、控制层间温度、后热消氢处理等，对防止层状撕裂均有一定作用。
但建筑钢结构有其特殊的地方，那就是构件的截面不同，防止层状撕裂的方法也不同。
A、深化设计时，严把设计关，特别是坡口设计和构件加工精度指标要严格控制，从根本上消除层状撕裂出现的必要条件。
B、优选钢材、焊材和供货商，在关键部位合理应用抗层状撕裂的优质Z向钢，并在加工前严格进行钢材Z向性能复检和UT探伤复查，从而保证接头抗层状撕裂能力，从材料品质上消除层状撕裂出现的必要条件。
C、厚板火焰切割前预热，火焰切割后切割断面检查。
提高坡口以及易产生层状撕裂面的加工精度，消除材料表面的微小应力集中点和硬化组织，从根本上杜决层状撕裂出现的充分条件。
预热最好采取远红外电加热装置以获得准确的预热温度，防止付加应力的产生。
层状撕裂的防止
层状撕裂的防止一概述厚度较大的钢板在轧制过程中存在各向异性。
经过轧制之后，钢板内部由硫、磷偏析产生的杂质和其它非金属夹杂物被压成薄片，出现分层（夹层）现象。
分层使钢板厚度方向受拉的性能恶化，并有可能在焊缝收缩或在拉力作用下出现层间撕裂。
层状撕裂主要发生在T形、十字形和角部接头中，这些部件约束程度大，使母材在厚度方向引起应变，由于延性有限无法调节，当钢板存在分层缺陷时，容易发生层间撕裂。
结构复杂，焊缝集中的节点，约束大，如刚接框架节点域中柱的翼缘板也可能产生层状撕裂。
二层状撕裂的起因由前述可知，层状撕裂主要由两个原因共同促成，即：①钢板存在分层缺陷；②在钢板分层处表面焊接和（或）其厚度方向有外拉力作用。
三防止层关撕裂的措施我国《建筑抗震设计规范》GB50011-2001和《高层民用钢结构技术规范》JBJ99-88等均有对焊接连接的节点，当钢板厚度大于50（或40）mm，并承受沿厚度方向的拉力作用时，应采用厚度方向性能钢板（抗层间撕裂的Z向钢板）的条款。
但是，Z向钢板目前产量较小，价格也比普通钢板高很多，而且采用质量好的钢板并不能消除焊缝收缩，也不一定能防止高约束节点处的层状撕裂，仅能减少层状撕裂的危险性。
因此，防止层状撕裂问题，必须从设计、制造工艺和检查等方面综合考虑。
要做到与焊接材料协调，可能产生层状撕裂的节点，设计时应考虑使其节点结构具有最大的柔性，避免高约束，使焊缝收缩应力最小。
具体措施如下：1．设计a. 在设计中不任意加大焊缝，在满足强度要求时应尽可能采用最小焊脚尺寸，在满足焊透深度要求时，应采用较小的焊接坡口角度和间隙；b. 避免焊接节点沿厚度方向受拉力作用；c. 相关节点采用高强度螺栓连接；d. 钢板厚度较大的角接接头焊缝，采用收缩时不易产生层状撕裂的构造（下图）；T形接头采用对称（K形）坡口焊缝；e. 相关位置采用Z向钢板。
对受动力作用和大气环境恶劣的结构，如海上采油平台，其重要构件的钢板沿厚度方向所受拉力较大时，相应区域可采用Z向钢板；高层建筑钢结构刚性框架节点域由于焊缝集中，且约束程度大，梁端弯矩很大时可采用Z向钢；2 制造工艺a. 采用低氢型焊条，在满足设计强度要求时，选用屈服强度较低的焊条；b. 严格规定焊接顺序和焊接工艺，防止在约束状态下施焊，尽可能减小垂直于板面方向的约束；c. 适当提高预热温度施焊和进行必要的后热处理；d. 带有角部和T形接头的小组件在构件装配前全部焊好，构件最后装配只作对接焊接；e. 在容易发生层状撕裂的母材表面先用低氢型焊条堆置焊层；f. 采用“锤击”或其它特殊的工艺方法，减小母材厚度方向的应变。
钢结构层状撕裂的防止措施
钢结构层状撕裂的防止措施钢板的层状撕裂一般在板厚方向有较大拉应力时发生.在焊接节点中，焊缝冷却时，会产生收缩变形。
如果很薄或没有对变形的约束，钢板会发生变形从而释放了应力。
但如果钢板很厚或有加劲肋，相邻板件的约束，钢板受到约束不能自由变形，会在垂直于板面方向上产生很大的应力。
在约束很强的区域，由于焊缝收缩引起的局部应力可能数倍于材料的屈服极限，致使钢板产生层状撕裂.。
层状撕裂只可能发生在基材内，而且当它出现在接近焊缝的焊脚位置时，往往正好位于热影响区边缘，并且不会延伸至钢板表面.层状撕裂表面往往时纤维状的，发生在热影响区外并且具有阶梯行当纵向断面，纵向的尺寸往往数倍于横向尺寸。
这些特征可以容易将它与发生在热影响区内的由于氢引起的断裂区分开。
当有可能层状撕裂发生时，为防止钢板的层状撕裂，可采取一下措施:(1)改进节点的连接形式改进节点连接形式以减小局部区域内由于焊缝收缩而引起的应力集中，或避免使钢板在板垂直方向受拉。
(2)采用合理的焊缝形式及小焊脚焊缝焊缝的形式对基材变形有很大影响。
坡口焊缝的坡口越大，焊缝表面积也越大，将增加收缩应力。
单坡坡口焊缝会在整个连接厚度方向上产生不对称收缩应变而双坡焊缝会减少和平衡部分收缩变形，当板材厚度不大于19mm时，用双坡口代替单坡口并不能显著降低焊缝收缩变形。
随意用全熔透坡口焊代替角焊缝或在不需要熔透焊的连接中也要求采用全熔透焊，并不妥当，它会增加局部应力，容易导致层状撕裂。
(3)分段拼装在可行的情况下，应将一个大节点分成几个部分分别焊好后再拼装，并对各部分中焊缝的焊接次序进行仔细安排.此外，应尽可能减少定位焊点的尺寸及数量。
这些都将有利于节点焊缝去的收缩变形。
(4)谨慎布置加劲肋加劲肋会对焊缝变形产生约束.应按计算的要求设计加劲肋及其焊缝。
(5)选择屈服强度低的焊条只要能满足受力要求，应尽可能选择屈服强度低的焊条。
美国焊接学会的<<结构焊接规范>>和美国钢结构协会的<<建筑结构设计、制作、安装规程>>均指出:焊条、焊丝和焊剂应于基材"匹配"。
钢结构中厚板焊接层状撕裂 预防控制
166YAN JIUJIAN SHE钢结构中厚板焊接层状撕裂 预防控制Gang jie gou zhong hou ban han jie ceng zhuang si lie yu fang kong zhi尚亚杰中厚板焊接引起的分层撕裂是不同于热裂纹和冷裂纹的特殊裂纹。
它们通常发生在t 形接头、转角接头和十字接头热影响区的滚动区，或起源于根部裂纹。
其结果对结构件存在极大危害并且无法满足钢结构焊缝质量验收标准。
为了减少中厚板焊接中层状撕裂的发生，我们分析了产生这种现象的原因，进行合理的设计坡口，并消除了控制焊接应力产生的措施，并使用零件的整平消除压力并释放局部热量。
通过释放应力、焊接锤击和其他方法可以减少残余应力，从而提高焊接合格率。
一、层状撕裂产生的原因焊接和焊接后冷却过程中，或焊接后承受载荷时，可能发生层状撕裂。
导致分层撕裂的主要因素是材料因素，如低碳钢、低合金钢和高硫低合金钢。
钢的含碳量越高，钢结构越脆，分层撕裂越敏感。
焊缝中扩散氢含量能促进分层撕裂的扩展。
氢扩散在根部或热影响区剥落中起着间接但重要的作用。
二、防止措施某钢结构厂房项目钢柱采用Q235B 材质的原材，截面尺寸主要为日字柱1500*100*50mm、箱型柱1000*1000*50mm，在制造和安装过程中有许多角焊缝、T 形焊缝和坡口焊。
在其组合焊缝的热影响区将产生较大的焊接应力，可能出现阶梯式的应力开裂。
为了避免这种情况，在施工前根据项目情况制定以下预防措施:（1）严格控制钢中硫含量，在满足降低局部焊接变形引起应力集中的要求的同时，优化焊接节点的连接方式。
（2）采用合理的焊接方法和较小的焊脚焊缝，通常在焊缝基体范围内发生夹层撕裂，当夹层撕裂发生在焊接位置附近时，它通常位于热影响区的边缘，而不是待扩展的基体表面。
最好使用对称的码板或偏斜于角部接头处的侧板的码板，以使焊接收缩产生的拉应力与板厚方向成一定角度，特别是在特厚板的情况下，侧板码板表面的角度应超过板厚的中心，这样可以减少分层撕裂的趋势。
中间包层状撕裂产生的原因及预防措施
中间包层状撕裂产生的原因及预防措施马钢机制公司(马鞍山市 243011) 江 济摘要 针对中间包焊接时产生层状撕裂问题,从产品结构、焊接工艺等方面分析了层状撕裂的原因,并制定相应的工艺措施,避免了层状撕裂的产生。
关键词: 中间包 侧板 T 形接头 焊接工艺 层状撕裂G ENER A TING CAU SE AN D PREVENTIVE MEASURE OF LAME LLAR TEARINGOF BAKIEManufacture Company of Maanshan Iron &Steel Co.,Ltd Jiang JiAbstract Aimed at the problem of lamellar tearing in the welding of bakie ,generating cause of lamellar tearing was analyzed from the product structure and welding procedure etc.,and then relevant procedure measure that could prevent from lamellar tearing was designed.K ey w ords : b akie , side plate , T -joint , w elding procedure , lamellar tearing 中间包是钢厂连铸生产线中的重要备件,钢水先流入中间包,然后通过其内水口铸入结晶器中,其质量好坏直接影响生产线正常运行。
1999年我厂承担了中间包制作任务,完成后发现中间包外侧板T 形接头处产生了严重开裂现象,其特征沿钢板厚度方向(钢板轧制方向)出现台阶状的裂纹,其部位、形状如图1所示。
图1 裂纹的部位和形状 裂纹在焊接热影响区,这是典型的层状撕裂现象,我们用清根补焊的方法修复,无济于事,相反造成了更多的裂纹。
层状撕裂预防措施
层状撕裂预防措施1.当法兰盘厚度等于或大于40mm时，法兰与管连接处的角焊缝应比正常焊时减小坡口角度（正常焊时为30°—35°，减小为20°—25°），增大焊脚尺寸（增大20%）。
T形接头、十字接头角接接头焊接时采用双面坡口对称焊接代替单面坡口非对称焊接。
2.选用低氢或超低氢焊接材料。
（即碱性焊条GB/T5117-1995，ISO3690-1997附录1-1983（E））3.严格烘干焊条或焊剂。
为了防止温度过高引起药皮变质，一般低氢焊条在350℃，烘干2小时；超低氢焊条在400℃，烘干2小时。
在现场使用焊条应放在焊条保温箱内随用随取，以防受潮。
4.选用低匹配焊条。
选择强度级别比母材略低的焊条有利于防止冷裂纹。
（焊缝强度为母材强度的82%时可以达到等强度要求。
）例Q345钢材可用E43焊条。
5.软层焊接。
用抗裂性能好的焊条（碱性焊条）作底层，内层采用与母材等强度的焊条，而表层2-6mm采用稍低于母材的焊条，这样可以增加焊缝金属的塑性储备。
6.严格控制焊接热输入。
在充分保证焊接接头韧性的前提下适当加大热输入。
7.合理选择预热温度。
预热温度一般选在70℃-100℃为宜。
多层焊时应控制层间温度不低于100℃。
8.紧急后热。
紧急后热的工艺在于及时。
一定要在热影响区冷却到产生裂纹的上限温度Tuc之前（一般在100℃）迅速加热，加热温度也高于Tuc，并且需保温一段时间（当板厚t≤25mm时保温1小时，当板厚t＞25mm时保温2小时）。
9.加强工艺管理：1)彻底清理焊接坡口；2)保证焊条或焊剂的烘干；3)提高装配质量。
避免出现过大错边或过大的装配间隙，尽量不使用夹具进行强制装配；4)保证焊接质量。
焊工质证上岗，按工艺规程操作，防止产生气孔、夹渣、未焊透、咬边等工艺缺陷；5)注意施工环境。
焊接场所相对湿度不得超过80%时。
气保焊时风速不得超过2m/s，手弧焊或药芯自保护焊时风速不得超过8m/s。
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一：防止板材产生层状撕裂的节点形式
在Ｔ形、十字形及角接接头中，当翼缘板厚度等于、大
于２０ｍｍ时，为防止翼缘板产生层状撕裂，宜采取下列节点构造设计：
１采用较小的焊接坡口角度及间隙（图４．５．１ａ），并满足
焊透深度要求；
２在角接接头中，采用对称坡口或偏向于侧板的坡口（图４．５．１ｂ）；
３采用对称坡口（图４．５．１ｃ）；
４在Ｔ形或角接接头中，板厚方向承受焊接拉应力的板材端头伸出接头焊缝区（图４．５．１
ｄ）；
５在Ｔ形、十字形接头中，采用过渡段，以对接接头取代
Ｔ形、十字形接头（图４．５．１ｅ、ｆ）。
二：防止层状撕裂的工艺措施
６．３．１Ｔ形接头、十字接头、角接接头焊接时，宜采用以下防
止板材层状撕裂的焊接工艺措施：
１采用双面坡口对称焊接代替单面坡口非对称焊接；
２采用低强度焊条在坡口内母材板面上先堆焊塑性过渡层；
３Ⅱ类及Ⅱ类以上钢材箱形柱角接接头当板厚大于、等于８０ｍｍ时，板边火焰切割面宜用机械方法去除淬硬层（见图６．３．１／３）；
４采用低氢型、超低氢型焊条或气体保护电弧焊施焊；
５提高预热温度施焊。