焊接層狀撕裂的判斷和控制

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上焊接結(jié)構(gòu)中層狀撕裂的防止措施內(nèi)容簡介層狀撕裂是一種當軋制鋼存在垂直于軋制面的應(yīng)力時產(chǎn)生的開裂現(xiàn)象（1，2）。焊接并不是層狀撕裂產(chǎn)生所需要的唯一條件。然而，這種撕裂主要出現(xiàn)在許多焊接結(jié)構(gòu)中，如T型、角接和十字接頭。它可以在接頭母材的熱影響區(qū)內(nèi)、外產(chǎn)生（圖1）。 圖2給出產(chǎn)生過層狀撕裂的焊接接頭實例（3，4，5）。 盡管有數(shù)量眾多的文獻涉及到層狀撕裂的方方面面（見參考文獻，不可避免地是不完全的），第委員會還是認為提供給設(shè)計人員一篇關(guān)于層狀撕裂簡短但全面的文獻是必要的。同樣地，對于一個焊接結(jié)構(gòu)給出定量評估層狀撕裂危險性的例證是必要的，從而應(yīng)該能夠選擇鋼材的Z向性能要求或重新

2、設(shè)計該焊接結(jié)構(gòu)使之滿足現(xiàn)有鋼材的質(zhì)量。因為層狀撕裂在焊接結(jié)構(gòu)制作中產(chǎn)生，早期的檢測可避免一些嚴重的后果；雖然與層狀撕裂出現(xiàn)的次數(shù)有關(guān)，但它還是能造成代價很昂貴、令人頭痛的工期延誤（6）。插圖3顯示的層狀撕裂的機理描述了它在母材中產(chǎn)生和擴展的一般模式（7）。對層狀撕裂敏感的母材一般都存在與軋制面平行的非金屬片狀夾雜物（硫、氧、硅的化合物）。有較大約束的焊接接頭中，（焊縫）冷卻收縮不僅產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力，還產(chǎn)生很重要的局部應(yīng)變。對稱雙坡口T型接頭的應(yīng)變分布見圖4（8）。盡管采取了一些措施降低這種應(yīng)變，在近縫區(qū)仍達到最大值2%，而在接頭表面以下7-10mm深對層狀撕裂敏感的鋼板中應(yīng)變值達0.5%。如果

3、母材不具備良好的Z向韌性允許應(yīng)變聚集在夾雜物的缺口端，那么，應(yīng)變積聚的作用將使片狀夾雜物裂開，具有臺階狀的撕裂發(fā)生。典型的層狀撕裂見圖5（9）。一般來說，層狀撕裂的發(fā)生隨著鋼板增厚而增加，因為較薄鋼板變形限制了垂直于軋制面方向的應(yīng)變。層狀撕裂導(dǎo)致的開裂也可以由在熱影響區(qū)事先存在的冷裂紋引發(fā)；或在調(diào)質(zhì)低合金高強鋼的條狀組織中出現(xiàn)，這就能解釋為什么有些場合板材中沒有片狀夾雜物卻發(fā)現(xiàn)有層狀撕裂。上述層狀撕裂產(chǎn)生機理可以清楚地表明它是設(shè)計、材料性能和制作工藝綜合作用的結(jié)果。層狀撕裂產(chǎn)生的三個必需條件如下所述：1母材對層狀撕裂敏感。事實上，這種敏感性可以通過片狀夾雜物或條狀組織表現(xiàn)出來。這種缺陷可以用力

4、學(xué)破壞試驗或特殊的超聲波檢測方法來檢驗（見第2.1條）。2高拘束的接頭導(dǎo)致近焊縫區(qū)母材中出現(xiàn)很大的局部塑性變形。焊縫冷卻引起的收縮變形產(chǎn)生應(yīng)變；接頭的拘束度越高、熔敷金屬數(shù)量越大，產(chǎn)生的應(yīng)變越大。3當坡口形狀導(dǎo)致產(chǎn)生垂直于軋制面的收縮應(yīng)變時，層狀撕裂的敏感性增加。這種收縮也垂直于主片狀夾雜物方向；這將促使夾雜物的張開，并進而促成層狀撕裂產(chǎn)生。降低層狀撕裂可采取的預(yù)防措施一方面從焊接接頭的設(shè)計和制作入手，另一方面在T型、角接和十字接頭中采用對層狀撕裂不敏感的材料。1減少層狀撕裂產(chǎn)生的措施1.1接頭設(shè)計 接頭設(shè)計中應(yīng)仔細考慮如下幾個方面： 減少高拘束接頭附近產(chǎn)生的應(yīng)變； 避免垂直于主片狀夾雜物方向

5、的焊縫收縮變形； 局部采用不敏感的材料。1.1.1減少應(yīng)變 應(yīng)變可以通過以下方式減少： 減少焊縫熔敷金屬數(shù)量（圖6）。 用角焊縫替代坡口焊縫以阻止應(yīng)變的局部集中，當然前提是兩種焊縫的有效面積相等。 使用能減少垂直于軋制面方向收縮的接頭或坡口型式（圖7和8）。1.1.2. 局部使用對層狀撕裂不敏感的材料層狀撕裂可以通過使用眾所周知的非敏感鋼材如Z向鋼和鍛造鋼來降低（圖9）。 如圖10所示，容器中的焊接接頭幾乎也易于產(chǎn)生層狀撕裂。插圖表示筒壁與凸緣或容器口以不同方式焊接接頭的縱剖面。圖例表明存在層狀撕裂風(fēng)險的接頭采用不敏感的材料是合理的（11）。1.2 工藝方法和實用的焊接條件 言及工藝方法和實用

6、焊接條件對層狀撕裂的影響幾乎出現(xiàn)在所有相關(guān)研究中，盡管似乎僅僅是在最近才完成系統(tǒng)的研究（12）。 通過在生產(chǎn)工藝和焊接方法中使用適當?shù)念A(yù)防措施，層狀撕裂的風(fēng)險雖然不能消除，但能夠?qū)嵸|(zhì)性地降低。1.2.1.焊接方法的影響 焊接方法對層狀撕裂的影響已經(jīng)在低合金高強結(jié)構(gòu)鋼的焊接中得到證明（12）。按一般觀點，正如專著論述：使用低氫型焊條和焊劑能幫助降低層狀撕裂的風(fēng)險但不能完全消除它（13）。 此外對于低合金鋼，用氣體保護焊和埋弧焊始終比用手工電弧焊和藥芯焊絲電弧焊焊成的焊縫更能抵抗層狀撕裂（12）。這點可以從兩個方面解釋：一是氫對能引起層狀撕裂的冷裂紋的影響；二是氫的存在降低了缺口處母材的韌性（14

7、）。1.2.2.填充金屬的影響 使用低匹配的填充金屬或多或少能降低層狀撕裂的風(fēng)險。使用這種低強度高延展性的填充金屬，使之能夠把應(yīng)變限制在焊縫局部并降低母材中的應(yīng)力。 然而，這個變通手段既受到可獲得的焊縫金屬強度范圍，又受到設(shè)計規(guī)范的限制。在高強鋼的特殊場合，推薦使用鎳合金作為填充金屬焊接關(guān)鍵接頭。1.2.3. 焊接工藝的影響 表面“預(yù)堆焊” 稱作“預(yù)堆焊”的工藝重點是實際焊接前，在對層狀撕裂敏感的母材表面堆焊一層5至10mm厚的低強度高延性的填充金屬；這種方法對消除層狀撕裂非常有效（圖11）。 對稱焊接 對稱焊可使接頭內(nèi)應(yīng)變分布比較均勻；它能降低局部應(yīng)變的數(shù)值。然而，如圖4所示，不管怎樣其中的

8、應(yīng)變值都很高。其它方法 其它方法如預(yù)熱、錘擊或中間應(yīng)力釋放等也可以用來降低層狀撕裂的風(fēng)險。預(yù)熱是有益的手段，特別是能抑制氫的有害影響，但它必須遵循這樣一種方式：即在最終冷卻時不會增加接頭總的收縮量也不會加劇撕裂應(yīng)變。2. 層狀撕裂敏感性的判定 2.1 非破壞性檢驗方法（5）鋼板的超聲波檢測是一種廣泛應(yīng)用于判別和定位夾層和大的夾雜的方法。無損檢測方法用來評價層狀撕裂的風(fēng)險已被試用。使用高頻探頭的特殊工藝已獲得最佳結(jié)果：用浸水耦合和聚焦探頭掃查板材，缺陷區(qū)在多次反射后衰減的信號幅度能得到最好的結(jié)果（9，25）。然而，這種工藝目前在大規(guī)模生產(chǎn)中認為并不實用。大范圍常規(guī)的超聲波檢測在這方面不是沒有用途

9、；經(jīng)驗表明應(yīng)用這種工藝層狀撕裂事故降低了約40%（15，16）。然而，為了避免層狀撕裂，這種大范圍常規(guī)的超聲波檢驗并不充分。假如高頻對于衰減數(shù)值來說提高了檢測靈敏度，因為鋼材中冶金晶粒的體積成為這種衰減的重要參數(shù)，有關(guān)層狀撕裂風(fēng)險合格標準的判定有些難度（17）。用衰減幅度的超聲波檢測能探測夾雜分布的局部變化，因此能確定鋼板最敏感的部分，此部分可以用破壞試驗來安全地評估層狀撕裂的風(fēng)險。然而，這種工藝目前在鋼廠并未被作為標準可靠的應(yīng)用方法。2.2 破壞性試驗方法 一般來說，為評價層狀撕裂風(fēng)險的破壞性試驗主要集中在檢測材料厚度方向的性能；厚度方向變形能力的檢測對層狀撕裂而言看來是最適合的方法。 試驗

10、分為兩種：直接取樣和焊接加長后取樣。直接取樣試驗允許按母材對層狀撕裂的敏感性分類，分為IIW（國際焊接協(xié)會）試驗（18）、厚板彎曲試驗（19）、Brodeau試驗（20）、缺口試件的彎曲試驗（21）。焊接加長試件，最常見的是IIW的有加長段的試驗（18），Cranfield試驗或Nichols-Elliot試驗（21）、窗口試驗（22）、Farrar試驗（20）和Lehigh試驗（23）。 這些試驗中IIW試驗最值得特別關(guān)注（18，24）。IIW建議按照鋼板的厚度使用兩種試驗。 第一種類型的試件推薦用于厚度大于25mm厚的鋼板。它是沿鋼板厚度方向加工成圓柱狀拉伸試件：幾何尺寸見圖12。圖中尺寸

11、是最小數(shù)值；最合適的試件直徑為6或10mm，現(xiàn)而易見，其長度必須是L2D。如果鋼板厚度小于25mm，試件用在板上栓焊或摩擦焊加長段后加工出來（圖13），或用焊接的十字試件加工而成（圖14）。圖14b表示使用焊接十字試件時加工階段情況。用焊接十字試件應(yīng)特別注意避免冷裂紋。 試驗得到的表示層狀撕裂危險性的參數(shù)是斷面收縮百分比Z。這是一個表示斷面變化值和原截面間的比率，以百分數(shù)為單位： SO- SUZ=100- % SO式中，SO 是試件原來的橫截面面積；SU 是拉斷后的橫截面面積。 在待檢板的一端、沿板寬度方向的中心區(qū)取至少三個尺寸為25mm25mm板厚的試件。一般來說，破壞性試驗的不足之處在于，

12、它只能測出并沒有實際用到工程中的局部試件的層狀撕裂的危險性。出于安全角度考慮，有必要從用超聲波方法檢測出焊接試件上最敏感部位（易撕裂）切取試樣。 多數(shù)層狀撕裂是由于存在于靠近施焊其上的軋制表面中的夾雜物，然而，IIW的試驗是評估鋼板整個（或中心部分）斷面的收縮值。因此有些時候，當然取決于焊縫形狀和板厚，IIW試驗給出的結(jié)果是偏于安全的。 3修復(fù)3.1 層狀撕裂的檢測層狀撕裂的擴展平行于軋制面；最適合的無損檢測撕裂的常見方法為超聲波檢測；一般都采用斜探頭（45和70）。在某些場合，也可使用直探頭。插圖15a和15b表示了這兩種檢測方法（5）。 X射線檢驗法因為缺陷角度原因，通常不能對層狀撕裂給出

13、可靠的檢測結(jié)果；滲透和磁粉檢測對一些特殊的角焊縫（見圖1）也是可靠的方法。3.2 修復(fù)工藝修復(fù)工藝一般都是從刨掉構(gòu)件中的層狀撕裂金屬開始。接著，在處理過的坡口用低屈服強度的焊材填充焊，這種過程叫“堆敷”；或用抗層狀撕裂的新鋼板在接頭區(qū)域替換掉撕裂了的鋼板。這兩種工藝分別被表示出來（圖16）。使用這些方法產(chǎn)生高殘余應(yīng)力可能需要對修復(fù)的接頭進行消除應(yīng)力處理，或?qū)τ凇岸逊蟆苯宇^，在修復(fù)過程中進行中間消除應(yīng)力。然而，在消除應(yīng)力熱處理過程中，應(yīng)特別注意：復(fù)雜構(gòu)件由于熱處理產(chǎn)生的應(yīng)力重分布，并在構(gòu)件的其它地方可能產(chǎn)生層狀撕裂。4. 結(jié)論 焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計師必須時刻考慮層狀撕裂的危險，特別是當結(jié)構(gòu)中含焊接T型

14、、角接或十字接頭且板厚超過25mm。一般地，板厚不超過25mm，層狀撕裂的風(fēng)險不大，但使用調(diào)質(zhì)高強鋼時就必須特別小心。調(diào)質(zhì)高強鋼中常常出現(xiàn)的帶狀組織能引起層狀撕裂。 為了避免層狀撕裂，推薦以下作法：4.1 作為一般設(shè)計原則，必須努力使沿鋼板厚度方向的應(yīng)力減少到最低。盡管外應(yīng)力不會造成層狀撕裂，但它們可以促進開裂特別是在受疲勞作用力時。4.2 就接頭設(shè)計而言，應(yīng)該遵守第1.1節(jié)給出的設(shè)計原則。它們主要包括降低母材中的應(yīng)變和在接頭區(qū)域使用Z向鋼或鍛件。4.3 就焊接而言，應(yīng)該采用能減少由接頭拘束引起的應(yīng)變的工藝方法，也就是：使用需要最少焊縫金屬的對稱焊；使用高延性低強度的機械性能并不與結(jié)構(gòu)服役條件匹配的填充金屬。4.4 就選擇母材而言，應(yīng)規(guī)定用IIW提供的斷面拉伸試驗（見2.2）法測得的最小斷面收縮值。一般地，當層狀撕裂的風(fēng)險不大時，取15%的斷面收縮率就足夠了，但是，對于層狀撕裂風(fēng)險較高的接頭，至少應(yīng)取25%的斷面收縮率的母材。例如焊接學(xué)會在阿賓頓的會議上建議（25）：鋼板所需的Z向性能就斷面