層狀撕裂的預防

（哈爾濱焊接技術培訓中心，黑龍江哈爾濱150046）

0 前言

在常規的結構設計中，強度計算方法是以材料的屈服強度和抗拉強度來衡量其抗斷能力，并將材料抽象為均質、連續和各向同性的，不考慮材料內部缺陷、內應力、表面應力集中的作用，而是用較大的安全系數統籌考慮它們的影響。但焊接結構設計必須考慮實際材料中微小缺陷和板材不同方向力學性能差異的問題，因為這些都可能造成宏觀的焊接缺陷或焊接結構的失效。所以在結構設計時，特別是焊接結構設計時，不僅要考慮材料的力學性能，還必須考慮材料本身在制造過程中產生的問題。例如結構局部焊接殘余應力過大以及材料局部微小裂紋的存在等原因，可能造成裂紋失穩擴展而發生脆性斷裂。軋制厚板材中，非金屬物夾層和厚度方向力學性能不足以及焊接殘余應力過大等原因，會造成焊接后母材的層狀撕裂。本研究主要討論層狀撕裂的產生原因和預防措施。

1 層狀撕裂產生原因

層狀撕裂通常是在結構的制造過程中產生，而非在使用過程中。軋制厚板材的T型接頭或十字型接頭中最常發生層狀撕裂，產生層狀撕裂的幾種典型結構形式如圖1所示。

層狀撕裂的產生主要有兩方面的原因。一方面是所采用的軋制厚板材料的各方向力學性能不一致，板材在軋制過程中會形成平行于板材表面的非金屬物夾層，且板材越厚問題越嚴重，所以設計和制造中應盡量避免使用過厚的材料。如果使用厚板必須附加一些技術要求，例如德國鋼結構制造標準DIN18800-7中規定[1]，承受垂直于表面方向拉應力且厚度超過10 mm的鋼板，應進行超聲波檢驗，以檢測厚板中是否有過多或超標的冶金缺陷，檢驗必須根據EN 10160（厚度大于等于6 mm板材產品的超聲波檢驗），板材本體需達到等級S1和板材邊緣需達到等級E1的標準。超過30 mm厚度的板材要進行堆焊彎曲試驗，以檢驗厚板材的止裂性能。歐洲的鋼結構標準EN1090-2[2]和其他制造標準[3]中也都有類似規定，其目的是使制造中所使用的厚板材料減少冶金缺陷、各方向力學性能盡量均勻。另一方面是焊接產生了較大的殘余應力，如圖2中箭頭方向所示，殘余應力的方向垂直于板材的厚度方向。兩方面共同作用就會在靠近母材表面部分產生撕裂裂紋，多呈現層狀或階梯狀，如圖3所示。

圖1 產生層狀撕裂的典型結構形式

圖2 層狀撕裂示意

圖3 層狀撕裂局部放大

2 層狀撕裂的防止措施

層狀撕裂是否發生取決于鋼板的性能和焊接殘余應力的大小，因此應從材料選擇、焊接結構的設計和焊接工藝措施3個方面綜合考慮。

2.1 材料的選擇

軋制厚板材中的非金屬夾層是造成層狀撕裂的主要因素，目前的無損檢驗技術不能對此做出準確的判定。板材厚度方向的斷面收縮率現在被用來判斷層狀撕裂的傾向性，板材厚度方向的斷面收縮率超過20%的鋼板被認為具有抗層狀撕裂能力。研究者還發現板材中的硫含量會對斷面收縮率產生影響，所以對厚度方向斷面收縮率有要求的鋼材必須控制硫含量，例如GB/T5313（厚度方向性能鋼板）就對厚度方向性能鋼材的硫含量做出了嚴格限制，如表1所示。因此，采用低硫含量或板材厚度方向斷面收縮率高的材料可以避免層狀撕裂。

表1 硫含量（熔煉分析） %

但選擇實際材料時，不僅要解決是否需要選擇板材厚度方向性能鋼材的問題，還要解決選擇什么等級厚度方向性能鋼材的問題，既要考慮結構的安全性，又要考慮經濟性。

歐洲標準EN1993-1-10（材料的韌性和厚度方向性能）[4]可參考使用。標準將影響層狀撕裂的影響因素分為5類，即焊縫厚度aeff（見圖4）、接頭類型、材料厚度、結構剛性和是否預熱，根據不同情況賦予不同的層狀撕裂敏感值（Zi），如表2所示。

所有影響因素的和值在10以下，不用選擇厚度方向性能鋼板；和值在11～20，選擇Z15等級鋼材；和值在21～30，選擇Z25等級鋼材；和值在30以上，選擇Z35等級的鋼材。

根據EN1993-1-10，舉例說明如何選擇合適的厚度方向性能的鋼材。例如箱型梁加強板，材料為S355或Q345，T型接頭角焊縫，板材厚度40 mm，應力收縮方向角焊縫厚度10 mm。如果不預熱焊接，則 Zi＝6+0+10+3+0＝19；若預熱焊接，則 Zi＝6+0+10+3-8＝11，也需要選擇Z15等級的鋼材，即S355Z15或Q345Z15。所以通常厚度大于40 mm的板材，需要考慮是否使用厚度方向性能的鋼材，我國《建筑抗震設計規范》和《建筑鋼結構焊接技術規程》[5]中均規定板材厚度大于40 mm時，應采用厚度方向性能鋼板。例如北京國家體育場（鳥巢）的鋼結構是典型的大型鋼結構，使用大量厚板材，厚度方向性能的等級均為Z35級別的。

圖4 aeff示意

表2 層狀撕裂敏感值（節選EN1993-1-10表3.2）

圖5 接頭形式

2.2 結構設計和焊接工藝措施[6]

實際EN1993-1-10不僅要考慮材料性能方面，同時也考慮了結構設計和焊接工藝的影響。從設計角度，可以使焊接殘余應力不與板厚方向垂直，或減小焊縫尺寸；從焊接工藝角度，盡可能避免厚度方向上產生的焊接殘余應力或者將其降至很小。采用的設計方式和工藝措施如下：

（1）應力收縮方向焊縫厚度盡可能小，由表2可知，焊縫厚度越小，層狀撕裂敏感值Z越小，其層狀撕裂的傾向越小。

（2）選擇合理的接頭形式。對于層狀撕裂而言，焊接時需要熔化的金屬量越少越好。如表2所示，T型接頭角焊縫的層狀撕裂的敏感值低于全熔透焊縫的；而對于焊接接頭的疲勞強度而言，正好相反。所以在焊接結構的設計過程中應綜合考慮，不能為了防止層狀撕裂而忽略其他問題。

（3）盡可能使用軋制板材所有層次與焊縫連接。相對于圖5d形式，圖5a形式的焊縫與板材軋制層次的連接更多，其抗層狀撕裂能力更強，表2數據也可以證明。

（4）焊道次數應考慮局部緩沖。與傳統的焊接順序（見圖6a）相比，采用圖6b所示的焊接順序能夠減小焊接殘余應力。圖6b焊接順序的特點是在焊接焊道 1、2、3、5、6 時，整體焊接接頭的拘束度較小，能釋放一定的焊接內應力，所以焊接殘余應力較小。

圖6 T型接頭的焊接順序

（5）盡可能選擇對稱焊縫形式和對稱焊接順序，這也是減小焊接殘余應力的常用措施。

（6）大于100℃的焊前預熱。預熱可以使焊接接頭區域加熱和冷卻的速度盡量達到一致，整體減少熱脹冷縮過程中產生的焊接內應力，從而減小焊接殘余應力。從表2還可以看出，預熱能夠明顯降低層狀撕裂的敏感值。

3 結論

材料的選擇、焊接結構的設計、焊接工藝措施三方面是相互關聯和相互影響的。選擇好的厚度方向性能的鋼板可以簡單地解決層狀撕裂問題，但其成本必然高于普通鋼板，所以只有在設計階段（材料的選擇）就綜合考慮各方面因素，才能使材料的選擇既經濟又避免層狀撕裂的發生。