焊接层状撕裂的判断和控制

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1、焊接结构中层状撕裂的防止措施内容简介层状撕裂是一种当轧制钢存在垂直于轧制面的应力时产生的开裂现象（1，2）。焊接并不是层状撕裂产生所需要的唯一条件。然而，这种撕裂主要出现在许多焊接结构中，如T型、角接和十字接头。它可以在接头母材的热影响区内、外产生（图1）。图2给出产生过层状撕裂的焊接接头实例（3，4，5）。尽管有数量众多的文献涉及到层状撕裂的方方面面（见参考文献，不可避免地是不完全的），第ⅩⅤ委员会还是认为提供给设计人员一篇关于层状撕裂简短但全面的文献是必要的。同样地，对于一个焊接结构给出定量评估层状撕裂危险性的例证是

2、必要的，从而应该能够选择钢材的Z向性能要求或重新设计该焊接结构使之满足现有钢材的质量。因为层状撕裂在焊接结构制作中产生，早期的检测可避免一些严重的后果；虽然与层状撕裂出现的次数有关，但它还是能造成代价很昂贵、令人头痛的工期延误（6）。插图3显示的层状撕裂的机理描述了它在母材中产生和扩展的一般模式（7）。对层状撕裂敏感的母材一般都存在与轧制面平行的非金属片状夹杂物（硫、氧、硅的化合物）。有较大约束的焊接接头中，（焊缝）冷却收缩不仅产生较大残余应力，还产生很重要的局部应变。对称双坡口T型接头的应变分布见图4（8）。尽管采取了

3、一些措施降低这种应变，在近缝区仍达到最大值2%，而在接头表面以下7-10mm深对层状撕裂敏感的钢板中应变值达0.5%。如果母材不具备良好的Z向韧性允许应变聚集在夹杂物的缺口端，那么，应变积聚的作用将使片状夹杂物裂开，具有台阶状的撕裂发生。典型的层状撕裂见图5（9）。一般来说，层状撕裂的发生随着钢板增厚而增加，因为较薄钢板变形限制了垂直于轧制面方向的应变。层状撕裂导致的开裂也可以由在热影响区事先存在的冷裂纹引发；或在调质低合金高强钢的条状组织中出现，这就能解释为什么有些场合板材中没有片状夹杂物却发现有层状撕裂。上述层状撕裂

4、产生机理可以清楚地表明它是设计、材料性能和制作工艺综合作用的结果。层状撕裂产生的三个必需条件如下所述：1．母材对层状撕裂敏感。事实上，这种敏感性可以通过片状夹杂物或条状组织表现出来。这种缺陷可以用力学破坏试验或特殊的超声波检测方法来检验（见第2.1条）。2．高拘束的接头导致近焊缝区母材中出现很大的局部塑性变形。焊缝冷却引起的收缩变形产生应变；接头的拘束度越高、熔敷金属数量越大，产生的应变越大。3．当坡口形状导致产生垂直于轧制面的收缩应变时，层状撕裂的敏感性增加。这种收缩也垂直于主片状夹杂物方向；这将促使夹杂物的张开，并进

5、而促成层状撕裂产生。降低层状撕裂可采取的预防措施一方面从焊接接头的设计和制作入手，另一方面在T型、角接和十字接头中采用对层状撕裂不敏感的材料。§1．减少层状撕裂产生的措施1.1接头设计接头设计中应仔细考虑如下几个方面：—减少高拘束接头附近产生的应变；—避免垂直于主片状夹杂物方向的焊缝收缩变形；—局部采用不敏感的材料。1.1.1减少应变应变可以通过以下方式减少：①减少焊缝熔敷金属数量（图6）。②用角焊缝替代坡口焊缝以阻止应变的局部集中，当然前提是两种焊缝的有效面积相等。③使用能减少垂直于轧制面方向收缩的接头或坡口型式（图7

6、和8）。1.1.2.局部使用对层状撕裂不敏感的材料层状撕裂可以通过使用众所周知的非敏感钢材如Z向钢和锻造钢来降低（图9）。如图10所示，容器中的焊接接头几乎也易于产生层状撕裂。插图表示筒壁与凸缘或容器口以不同方式焊接接头的纵剖面。图例表明存在层状撕裂风险的接头采用不敏感的材料是合理的（11）。1.2工艺方法和实用的焊接条件言及工艺方法和实用焊接条件对层状撕裂的影响几乎出现在所有相关研究中，尽管似乎仅仅是在最近才完成系统的研究（12）。通过在生产工艺和焊接方法中使用适当的预防措施，层状撕裂的风险虽然不能消除，但能够实质性地

7、降低。1.2.1.焊接方法的影响焊接方法对层状撕裂的影响已经在低合金高强结构钢的焊接中得到证明（12）。按一般观点，正如专著论述：使用低氢型焊条和焊剂能帮助降低层状撕裂的风险但不能完全消除它（13）。此外对于低合金钢，用气体保护焊和埋弧焊始终比用手工电弧焊和药芯焊丝电弧焊焊成的焊缝更能抵抗层状撕裂（12）。这点可以从两个方面解释：一是氢对能引起层状撕裂的冷裂纹的影响；二是氢的存在降低了缺口处母材的韧性（14）。1.2.2.填充金属的影响使用低匹配的填充金属或多或少能降低层状撕裂的风险。使用这种低强度高延展性的填充金属，使

8、之能够把应变限制在焊缝局部并降低母材中的应力。然而，这个变通手段既受到可获得的焊缝金属强度范围，又受到设计规范的限制。在高强钢的特殊场合，推荐使用镍合金作为填充金属焊接关键接头。1.2.3.焊接工艺的影响①表面“预堆焊”称作“预堆焊”的工艺重点是实际焊接前，在对层状撕裂敏感的母材表面堆焊一层5至10mm厚的低强度高延