钢材层状撕裂及抗层状撕裂焊接接头的设计
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。
钢结构防止板材产生层状撕裂的节点选材和工艺措施
钢结构防止板材产生层状撕裂的节点选材和工艺措施5．5 防止板材产生层状撕裂的节点、选材和工艺措施5．5．1 在T形、十字形及角接接头设计中，当翼缘板厚度不小于20mm时，应避免或减少使母材板厚方向承受较大的焊接收缩应力，并宜采取下列节点构造设计：1 在满足焊透深度要求和焊缝致密性条件下，宜采用较小的焊接坡口角度及间隙[图5．5．1-1(a)]；2 在角接接头中，宜采用对称坡口或偏向于侧板的坡口[图5．5．1-1(b)]；3 宜采用双面坡口对称焊接代替单面坡口非对称焊接[图5．5．1-1(c)]；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宜伸出接头焊缝区[图5．5．1-1(d)]；5 在T形、十字形接头中，宜采用铸钢或锻钢过渡段，并宜以对接接头取代T形、十字形接头[图5．5．1-1(e)、图5．5．1-1(f)]；6 宜改变厚板接头受力方向，以降低厚度方向的应力(图5．5．1-2)；7 承受静荷载的节点，在满足接头强度计算要求的条件下，宜用部分焊透的对接与角接组合焊缝代替全焊透坡口焊缝(图5．5．1-3)。
5．5．2 焊接结构中母材厚度方向上需承受较大焊接收缩应力时，应选用具有较好厚度方向性能的钢材。
5．5．3 T形接头、十字接头、角接接头宜采用下列焊接工艺和措施：1 在满足接头强度要求的条件下，宜选用具有较好熔敷金属塑性性能的焊接材料；应避免使用熔敷金属强度过高的焊接材料；2 宜采用低氢或超低氢焊接材料和焊接方法进行焊接；3 可采用塑性较好的焊接材料在坡口内翼缘板表面上先堆焊塑性过渡层；4 应采用合理的焊接顺序，减少接头的焊接拘束应力；十字接头的腹板厚度不同时，应先焊具有较大熔敷量和收缩量的接头；5 在不产生附加应力的前提下，宜提高接头的预热温度。
5．5 防止板材产生层状撕裂的节点、选材和工艺措施5．5．1～5．5．3 在T形、十字形及角接接头焊接时，由于焊接收缩应力作用于板厚方向(即垂直于板材纤维的方向)而使板材产生沿轧制带状组织晶间的台阶状层状撕裂。
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。
防止层状撕裂
（二）.焊接接头及坡口的设计1、角焊缝的尺寸应符合下列规定：①角焊缝的最小计算长度应为其焊脚尺寸（hf）的8倍，且不得小于40mm；焊缝计算长度应为扣除引弧、收弧长度后的焊缝长度；②角焊缝的有效面积应为焊缝计算长度与计算厚度（he）的乘积。
对任何方向的荷载，角焊缝上的应力应视为作用在这一有效面积上；③断续角焊缝焊段的最小长度应不小于最小计算长度；④角焊缝最小焊脚尺寸宜按下表取值；⑤当被焊构件中较薄板厚度≥25mm时，宜采用开局部坡口的角焊缝；⑥采用角焊缝焊接接头，不宜将厚板焊接到较薄板上。
角焊缝最小焊脚尺寸（mm）母材厚度t 角焊缝最小焊脚尺寸t≤6 36≤t≤12 512≤t≤20 6t≥20 81. 采用不预热的非低氢焊接方法进行焊接时，t等于焊接接头中较厚件厚度，应使用单道焊；采用预热的非低氢焊接方法或低氢焊接方法进行焊接时，t 等于焊接接头中较薄件厚度；2. 焊缝尺寸无需超过焊接接头中较薄件厚度的情况除外；3. 承受动荷载的角焊缝最小焊脚尺寸为5mm。
2、不同厚度及宽度的材料对接时，应作平缓过渡并符合下列规定：（1 ）、不同厚度的板材或管材对接接头受拉时，其允许厚度差值（t1-t2）应符合表1的规定。
当超过表1的规定时应将焊缝焊成斜坡状，其坡度最大允许值应为1：2.5；或将较厚板的一面或两面及管材的内壁或外壁在焊前加工成斜坡，其坡度最大允许值应为1：2.5；表1较簿钢板厚度（mm） 7.5～9 10～12 ＞12允许板厚差（mm） 2 3 4图5.4.4 对接接头部件厚度、宽度不同时的平缓过渡要求示意（a）板材厚度不同加工成斜坡状；（b）板材厚度不同焊成斜坡状；（c）管材内径相同壁厚不同；（d）管材外径相同壁厚不同；（e）板材宽度不同3. 防止板材产生层状撕裂的节点、选材和工艺措施在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，接头设计时应尽可能避免或减少使母材板厚方向承受较大的焊接收缩应力，并宜采取下列节点构造设计：1 ）在满足焊透深度要求和焊缝致密性条件下，采用较小的焊接坡口角度及间隙（图5.5.1-1a）；2 ）在角接接头中，采用对称坡口或偏向于侧板的坡口（图5.5.1-1b）；3 ）采用双面坡口对称焊接代替单面坡口非对称焊接（图5.5.1-1c）；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5.5.1-1d）；5）在T形、十字形接头中，采用铸钢或锻钢过渡段，以对接接头取代T 形、十字形接头（图5.5.1-1e、f）；不良良图5.5.1-1 T形、十字形、角接接头防止层状撕裂的节点构造设计示意6）改变厚板接头受力方向，以降低厚度方向的应力（图5.5.1-2）；5.5.1-2 改善厚度方向焊接应力大小的措施7 ）承受静载荷的节点，在满足接头强度计算要求的条件下，用部分焊透的对接与角接组合焊缝焊缝代替完全焊透坡口焊缝(图5.5.1-3)。
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。
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文章编号 : 100124632 (2005) 0620069206
Vol126 No16
November , 2005
图 4 Z 向拉伸试样的准备及取样
第 6 期 钢材层状撕裂及抗层状撕裂焊接接头的设计
71
表 1 Z 向钢分级
代号
含硫量
φz
6 个试样 单试样 平均值 最小值
用途
Z15
约 < 0101 %
> 15 %
> 10 %
担心可能产生层状撕 裂的焊接结构
Z25 约 < 01008 % > 25 %
属夹杂物的分布 、密集程度有直接关系 , 且层状撕 裂裂纹中 , 是形成同一平面内相邻夹杂物的 “平 台”部分还是形成不同平面内相邻夹杂物的 “壁” 部分 , 与钢材基体金属的塑性和韧性有关 。 影响基体金属塑性和韧性的因素很多 , 如晶粒 细化程度 、金相组织状态 、应变时效脆化和氢脆 等 。因此 , 在钢材冶炼和轧制中 , 除降低非金属含 量外 , 细化晶粒 、增加铁素体和珠光体组织的比 例 , 钢材的冷热加工中减少应变时效等 , 都有利于 避免层状撕裂的发生 。 212 设计和焊接工艺因素 21211 合理选材
图 6 隅角焊接中坡口形式对层状撕裂的影响
图 7 多道小线能量焊接优于大线能量焊接 (需预热避免冷裂纹)
图 5 不同设计形式的角焊缝接头
图 8 低强度打底焊道有利于抑制层状撕裂
72
中 国 铁 道 科 学 第 26 卷
图 9 预热对层状撕裂的影响
关键词 : 钢桥 ; 钢材 ; 层状撕裂 ; Z 向钢 ; 焊接 ; 抗层状撕裂控制 中图分类号 : T G457111 ; U4451583 文献标识码 : A
大型焊接结构中 , 当在板厚方向作用拉应力 , 特别是外荷载引起循环拉应力作用时 , 焊缝冷却收 缩引起近缝区母材上的层状撕裂是一种非常危险的 缺陷 。原因是 : ①层状撕裂很难发现 , 也难以修 复 ; ②在循环拉应力作用下 , 断续的单个层状撕裂 很快扩展 、聚合 、形成一个大裂纹 , 再扩展 , 直至 结构破坏 , 整个过程发生时间很短 , 破坏突然 。
图 1 典型焊接接头的层状撕裂
产生层状撕裂的主要原因是钢材中含有微量非 金属 夹 杂 物 , 特 别 是 硫 化 物 , 如 MnS , 其 次 是 SiO2 , Al2O3 等氧化物 。轧制钢材时 , 这些夹杂物 受到延压 , 呈片状分布在平行于钢板表面的板材 中 。焊接时 , 焊缝金属由液相冷却而凝结成固相 , 伴随发生收缩 。当收缩力顺板厚方向的拉应力达到 一定程度后 , 夹杂物与基体金属沿弱结合面脱开而 产生开裂 , 严重时 , 会造成相邻夹杂物之间基体金 属的晶界断裂 、穿晶断裂或韧窝断裂 , 形成层状撕 裂[2 ] 。层状撕裂的形成和微观示意图见图 2 所示 。
1) 刚度越大 、板越厚越容易产生层状撕裂 ; 2) 在相同板厚 、相同焊接方法条件下 , 焊缝 断面越大 , 越易产生层状撕裂 ;
3) 不同设计形式的角焊缝接头对层状撕裂的 影响不同 (见图 5 所示) 。贯通板比不贯通板好 ,
沿贯通板受力比沿中断板受力好 。T 型或十字型焊 接接头中 , 不熔透或部分熔透角焊缝比全熔透角焊 缝好 , 单侧全熔透角焊缝最不利 。 21213 加工及焊接工艺
1 层状撕裂产生机理
层状撕裂不同于通常发生在焊缝上的热裂纹和
收稿日期 : 2005204227 作者简介 : 史永吉 (1941 —) , 男 , 江苏南京人 , 研究员 。
冷裂纹 , 它是发生在热影响区和靠近热影响区母材 上的一种特殊裂纹 。
层状撕裂通常发生在角焊接头中 (如 T 型接 头 、十字型接头和隅角焊接头等) , 见图 1 所示 。
钢材加工时应注意以下几点 。 1) 热加工时 , 避开蓝脆温度 ( 200 ～ 300 ℃) 和红脆温度 (900～950 ℃) , 以避免钢材塑性和韧 性的降低 。 2) 冷加工时 , 确保一定的曲率半径 ( R > 15 t) , 以利于减少应变时效脆化倾向和塑性 、韧性的 降低 。 3) 不同的焊接工艺对层状撕裂的影响不同 (见图 6 —图 9 所示) 。改善隅角焊的坡口形式 , 用 小线能量焊接取代大能量焊接 , 采用低强度焊道打 底 、焊前预热等 , 均可抑制层状撕裂的发生 。
层状撕裂的性能[3 ] 。以此定义具有良好抗层状撕
裂性能的钢材为 Z 向钢 。
φz
=
φ1 - φ2 φ1
(1)
式中 : φ1 为圆试样断面积 ; φ2 为试样拉断处断面
图 3 钢中含硫量与 Z 方向断面收缩率 φz 之间的关系
21112 母材的基体性能 从层状撕裂的形成过程可知 , 层状撕裂与非金
抗层状撕裂钢材的选择 , 应先按式 (2) 计算
层状撕裂敏感性指数 Z , 然后根据表 3 选择相应的
Z 向钢 。
312 Euro Code3 的规定
一构件与另一构件焊接连接时 , 判断发生层状
第 6 期 钢材层状撕裂及抗层状撕裂焊接接头的设计
73
表 3 用层状撕裂敏感性指数 Z 选择 Z 向钢
加。 3) 焊缝的方向性 如果焊缝处的收缩应变平
行于轧制方向 , 或许不至于产生层状撕裂 ; 如果焊 缝熔合面大体平行于金属表面 , 并且收缩应变垂直 于轧制方向可能产生层状撕裂 。
4) 加载形式 仅有荷载引起的应力 , 对层状 撕裂的影响是次要的 , 当该荷载为循环加载和冲击 加载时 , 将会增大层状撕裂的敏感性 。 这里列出两则层 状撕裂的评定方法和 Z 向钢的选材标准 , 供相关 设计和制造人员参考 。 311 日本土木协会结构委员会钢材规格小委员会 的规定[4 ] 选择抗层状撕裂钢材时 , 应根据经济性和施工 方法 , 在构件组成设计上下功夫 , 避免重要构件在
度对层状撕裂的发生影响很大 , 其影响用层状撕裂
敏感性指数 Z 体现 , 按下式计算 :
Z = Za + Zb + Zc + Zd
(2)
式中 : Za 为焊脚尺寸因素 ; Zb 为接头形式因素 ;
Zc 为弯曲约束度因素 ; Zd 为拉伸约束度因素 。
各单项因素的层状撕裂敏感性指数列于表 2 。
> 15 %
层状撕裂危险性很大 的焊接结构
层状撕裂危险性很大 、
Z35 约 < 01006 % > 35 % > 25 % 安全度要求很高的焊 接结构
21212 焊接接头设计 由层状撕裂产生的原因可知 , 焊接时 , 焊缝收
缩受到约束容易产生层状撕裂 , 而且约束度越大越 容易产生 。所以在结构设计时应注意 :
上述因素中 1) 主要是金属材料本身 , 因素 2) 和 3) 主要受制造工艺的影响 , 因素 4) 受设计控 制。
74
中 国 铁 道 科 学 第 26 卷
据此 , 该规范制订了影响 Z 值 ( Z 方向断面 收缩率φz ) 的判据 (见表 4) 及 Z 向钢等级的选择 (见表 5) 。
钢材层状撕裂及抗层状撕裂焊接接头的设计
史永吉1 , 王 辉1 , 方 兴1 , 白 玲2
(11 铁道科学研究院 铁道建筑研究所 , 北京 100081 ; 21 铁道科学研究院 铁道科学技术研究发展中心 , 北京 100081)
摘 要 : 钢材层状撕裂是焊接钢桥中一种非常危险的缺陷 , 通常发生在角焊接头处 。钢材中夹杂物的数量 、 分布和形态以及基体金属的塑性和韧性是影响层状撕裂的钢材因素 。钢材中含硫量越多 , 夹杂物以片状形态大 量密集于同一平面 , 发生层状撕裂的倾向就越大 。钢材的刚度越大 、板越厚 , 越容易产生层状撕裂 。相同板厚 、 相同焊接方法条件下 , 焊缝断面越大 , 越易产生层状撕裂 。角焊缝接头中选择贯通板 , T 型或十字型焊接接头 中选择不熔透或部分熔透角焊缝 , 热加工时避开蓝脆温度和红脆温度 , 冷加工时确保一定的曲率半径 (大于 15 倍板厚) , 改善隅角焊的坡口形式 , 用小线能量焊接取代大能量焊接 , 采用低强度焊道打底 、焊前预热等 , 均可 抑制层状撕裂的发生 。同时 , 给出日本和 Eurocode3 的层状撕裂评定方法和 Z 向钢的选材标准 , 以便设计和制造 人士准确把握 。
如何避免层状撕裂及由此造成的严重危害 , 现 已成为焊接结构设计中的重要问题 。它涉及钢材的 选择 , 焊接接头的设计及焊接工艺 。
抗层状撕裂钢 , 又称 Z 向钢 , 是指板厚方向 的延性 (或塑性) 应达到一定指标的钢[1 ] 。它的 价格比普通钢材贵许多 。
不当的选材将无端增大桥梁建设投资 。因为一 座桥梁 , 不是所有构件都要求板厚方向达到一定的 延性标准 , 其中绝大部分构件不要求钢材具有 Z 向延性 , 但是有 Z 向延性要求的构件 , 又必须选 用 Z 向钢 。
Z
Z ≤10 10 < Z ≤20 20 < Z ≤30
Z > 30
板厚方向断面收缩率/ %
平均值
最小值
—
—
15
10
25
15
35
25
Z 向钢等级 ( WES3008)
— Z15 Z25 Z35
撕裂的可能性应考虑以下因素 。 1) 金属撕裂的敏感性 。 2) 在板厚方向因焊接连接而产生的拉应变
因焊缝金属冷却收缩而产生应变 , 当水平板的自由 位移受到结构其他部件的约束 , 该应变将极大增
形态 , 如果夹杂物以片状形态大量密集于同一平面
时 , 就比较容易产生层状撕裂 ; 如果是单个夹杂
物 , 即使长度较大 , 其端部的曲率半径大于数量多
又密集的片状夹杂物 , 也不一定会引发层状撕裂 。