焊接层状撕裂的判断和控制

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厚的低强度高延性的填充金属；这种方法对消除层状撕裂非常有效（图11）。

②对称焊接

对称焊可使接头内应变分布比较均匀；它能降低局部应变的数值。然而，如图4所示，不管怎样其中的应变值都很高。

③其它方法

其它方法如预热、锤击或中间应力释放等也可以用来降低层状撕裂的风险。预热是有益的手段，特别是能抑制氢的有害影响，但它必须遵循这样一种方式：即在最终冷却时不会增加接头总的收缩量也不会加剧撕裂应变。

2. 层状撕裂敏感性的判定

2.1 非破坏性检验方法（5）

钢板的超声波检测是一种广泛应用于判别和定位夹层和大的夹杂的方法。

无损检测方法用来评价层状撕裂的风险已被试用。使用高频探头的特殊工艺已获得最佳结果：用浸水耦合和聚焦探头扫查板材，缺陷区在多次反射后衰减的信号幅度能得到最好的结果（9，25）。然而，这种工艺目前在大规模生产中认为并不实用。

大范围常规的超声波检测在这方面不是没有用途；经验表明应用这种工艺层状撕裂事故降低了约40%（15，16）。然而，为了避免层状撕裂，这种大范围常规的超声波检验并不充分。

假如高频对于衰减数值来说提高了检测灵敏度，因为钢材中冶金晶粒的体积成为这种衰减的重要参数，有关层状撕裂风险合格标准的判定有些难度（17）。用衰减幅度的超声波检测能探测夹杂分布的局部变化，因此能确定钢板最敏感的部分，此部分可以用破坏试验来安全地评估层状撕裂的风险。

然而，这种工艺目前在钢厂并未被作为标准可靠的应用方法。

2.2 破坏性试验方法

一般来说，为评价层状撕裂风险的破坏性试验主要集中在检测材料厚度方向的性能；

厚度方向变形能力的检测对层状撕裂而言看来是最适合的方法。

试验分为两种：直接取样和焊接加长后取样。直接取样试验允许按母材对层状撕裂的敏感性分类，分为IIW（国际焊接协会）试验（18）、厚板弯曲试验（19）、Brodeau 试验（20）、缺口试件的弯曲试验（21）。焊接加长试件，最常见的是IIW的有加长段的试验（18），Cranfield试验或Nichols-Elliot试验（21）、窗口试验（22）、Farrar试验（20）和Lehigh试验（23）。

这些试验中IIW试验最值得特别关注（18，24）。IIW建议按照钢板的厚度使用两种试验。

第一种类型的试件推荐用于厚度大于25mm厚的钢板。它是沿钢板厚度方向加工成圆柱状拉伸试件：几何尺寸见图12。图中尺寸是最小数值；最合适的试件直径为6或10mm，现而易见，其长度必须是L≥2D。

如果钢板厚度小于25mm，试件用在板上栓焊或摩擦焊加长段后加工出来（图13），或用焊接的十字试件加工而成（图14）。图14b表示使用焊接十字试件时加工阶段情况。

用焊接十字试件应特别注意避免冷裂纹。

试验得到的表示层状撕裂危险性的参数是断面收缩百分比Z。这是一个表示断面变化值和原截面间的比率，以百分数为单位：

S

O - S

U

Z=100------ % S

O

式中，S

O 是试件原来的横截面面积；S

U

是拉断后的横截面面积。

在待检板的一端、沿板宽度方向的中心区取至少三个尺寸为25mm×25mm×板厚的试件。

一般来说，破坏性试验的不足之处在于，它只能测出并没有实际用到工程中的局部试件的层状撕裂的危险性。出于安全角度考虑，有必要从用超声波方法检测出焊接试件上最敏感部位（易撕裂）切取试样。

多数层状撕裂是由于存在于靠近施焊其上的轧制表面中的夹杂物，然而，IIW的试验是评估钢板整个（或中心部分）断面的收缩值。因此有些时候，当然取决于焊缝形状和板厚，IIW试验给出的结果是偏于安全的。