鋼材層狀撕裂及抗鋼材層狀撕裂焊接接頭的設(shè)計(jì)

鋼材層狀撕裂及抗層狀撕裂焊接接頭的設(shè)計(jì)史永吉王輝方興白玲摘要：鋼材層狀撕裂是焊接鋼橋中的一種非常危險(xiǎn)的缺陷，慎重選材、合理的焊接接頭設(shè)計(jì)和施焊工藝，可以避免層狀撕裂的危害。本文概要介紹了層狀撕裂產(chǎn)生的機(jī)理、影響因素、抗層狀撕裂的控制以及Z向鋼的選材標(biāo)準(zhǔn)，以便于設(shè)計(jì)工程師和制造工程師準(zhǔn)確把握。關(guān)鍵詞：層狀撕裂、Z向鋼、抗層狀撕裂控制1、前言大型焊接結(jié)構(gòu)中，當(dāng)在板厚方向作用拉應(yīng)力，特別是在外荷載引起循環(huán)拉應(yīng)力作用時(shí)，焊縫冷卻收縮引起近縫區(qū)母材上的層狀撕裂就是一種非常危險(xiǎn)的缺陷，一是層狀撕裂很難發(fā)現(xiàn)，也難以修復(fù)，二是在循環(huán)拉應(yīng)力作用下，斷續(xù)的單個(gè)層狀撕裂很快擴(kuò)展、聚合、形成一個(gè)大裂紋、再擴(kuò)展，直至結(jié)構(gòu)破壞，這一整個(gè)過程發(fā)生時(shí)間很短，破壞突然。如何避免層狀撕裂及由此造成的嚴(yán)重危害，現(xiàn)已成為焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要問題。它涉及鋼材的選擇，焊接接頭的設(shè)計(jì)及焊接工藝?？箤訝钏毫唁?，又稱Z向鋼，是指板厚方向的延性（或塑性）應(yīng)達(dá)到一定的指標(biāo)，然而價(jià)格比普通鋼材貴許多，不當(dāng)?shù)倪x材將無端增大橋梁建設(shè)投資。一座橋梁，不是所有構(gòu)件都要求板厚方向達(dá)到一定的延性標(biāo)準(zhǔn)，其中絕大部分構(gòu)件不要求鋼材具有Z向延性，但是有Z向延性要求的構(gòu)件，又必須選用Z向鋼。這里，概要介紹層狀撕裂產(chǎn)生機(jī)理、影響層狀撕裂的因素、層狀撕裂的控制、抗層狀撕裂的評(píng)定、Z向鋼選擇標(biāo)準(zhǔn)、抗層狀撕裂焊接接頭的設(shè)計(jì)和焊接工藝。以便焊接結(jié)構(gòu)工程師和制造工程師準(zhǔn)確把握。2、層狀撕裂（LamellarTearing）產(chǎn)生機(jī)理層狀撕裂不同于通常發(fā)生在焊縫上的熱裂紋和冷裂紋，它是發(fā)生在熱影響區(qū)和靠近熱影響區(qū)母材上的一種特殊裂紋。層狀撕裂通常發(fā)生在角焊接頭中（如T型接頭、十字型接頭和隅角焊接頭等），見圖1。產(chǎn)生層狀撕裂的主要原因，是鋼材中含有一定微量的非金屬夾雜物，特別是硫化物，如MnS，其次是SiO2、Al2O3等氧化物。軋制鋼材時(shí)，這些夾雜物受到延壓，呈片狀分布在平行于鋼板表面的板材中。焊接時(shí)，焊縫金屬由液相冷卻而凝結(jié)成固相，伴隨著發(fā)生收縮，當(dāng)收縮力順板厚方向，其拉應(yīng)力達(dá)到一定程度后，使夾雜物與基體金屬沿弱結(jié)合面脫開而產(chǎn)生開裂，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成相鄰?qiáng)A雜物之間的基體金屬的晶界斷裂或穿晶斷裂或韌窩斷裂，形成層狀撕裂。圖2為層狀撕裂的形成和微觀示意圖。a)T型角接焊接頭b)隅角焊接頭圖1典型焊接接頭的層狀撕裂金屬夾雜物的分布焊接收縮引起的拉應(yīng)力焊接收縮引起的拉應(yīng)力）遍拉應(yīng)力引特發(fā)層狀撕怠裂戲c板）微觀示材意圖揚(yáng)圖武2抹層狀撕裂炊的形成及父微觀圖茂該層狀撕照裂可能是掀夾雜物長(zhǎng)唯度的幾倍昂，甚至數(shù)城十倍、數(shù)貍百倍，所韻以，層狀總撕裂絕不貼僅僅是非縫金屬夾雜逼物的裂開讓。當(dāng)外荷渣載引起順許板厚方向農(nóng)的拉應(yīng)力歸循環(huán)作用駝時(shí)，單個(gè)梨層狀撕裂穩(wěn)將很快擴(kuò)貪展，聚合猴成較大的虎疲勞裂紋工，直至結(jié)憑構(gòu)破壞。鄭而且，層獻(xiàn)狀撕裂引凡發(fā)的裂紋功很難修復(fù)揚(yáng)。由此可橫見，層狀蒸撕裂危害萌的嚴(yán)重性思。斤3右、影響層仗狀撕裂的志鋼材因素弄。師（蹲1鳳）鋼材中賊的非金屬晚夾雜物鉛鋼材中都達(dá)含有一定押的不同類灣型的非金氣屬夾雜物寇，最常見絨的是硫化肺物、硅酸淡鹽、氧化醉鋁等。不墳論是哪一分種夾雜物獄，它與基芬體金屬的腎結(jié)合力均羞低于基體奴金屬本身葵的強(qiáng)度，校任何一種賤非金屬夾中雜物都可詠能導(dǎo)致產(chǎn)徐生層狀撕雀裂。關(guān)鍵冰是夾雜物重的數(shù)量、胃分布及形拔態(tài)，如果諸夾雜物以僅片狀形態(tài)建大量密集爬于同一平危面時(shí)，就桌比較容易砍產(chǎn)生層狀醉撕裂。如慎果是單個(gè)供夾雜物，牢即使長(zhǎng)度鞏較大，其掃端部的曲抱率半徑大乘于數(shù)量多鐘又密集的沸片狀?yuàn)A雜嫂物，也不子一定會(huì)引估發(fā)層狀撕怒裂。糟現(xiàn)已明確擠，鋼中含孕硫量越多全，順板厚份方向回（固Z櫻方向）拉速伸的塑性寇（用斷面鋼收縮率采表示）越棗低，發(fā)生標(biāo)層狀撕裂鴿的傾向就隱越大，庫(kù)圖訴3皆表示鋼中伏含硫量場(chǎng)與叼Z麗方向斷面曉收縮率體之間的關(guān)何系。由此獅，導(dǎo)出用濃鋼疼材懷Z吹向斷面收想縮率來評(píng)略定鋼材抗懇層狀撕裂帝的性能，棒并以此定辰義具有良界好抗層狀槽撕裂性能膠的鋼材芽為活Z拼向鋼。Z向鋼Z向鋼S（%）普通鋼允圖換3逆鋼中含硫走量愿與樂Z段方向斷面仙收縮率狠之間的關(guān)佩系泊（呢2供）母材的渾基體性能分從層狀撕蠅裂的形成脅過程可知座，層狀撕潮裂與非金膽屬夾雜物螺的分布、宋密集程度竊有直接關(guān)花系。而且徑，層狀撕槽裂裂紋中頂，處于同搭一平面的僚相鄰?qiáng)A雜勉物的形愧似闖“蜓平迫臺(tái)料”悼（印terr雄ac炭e儀）部分，冊(cè)以及處于呼不同平面亦的相鄰?qiáng)A探雜物的形輛似?！皟S壁攔”抬（正wal心l蝦）部分，陰與鋼材基浴體金屬的仰塑性和韌扔性有關(guān)。配影響基體使金屬塑性舅和韌性的當(dāng)因素很多映，不外乎絲晶粒細(xì)化弦程度、金寸相組織狀絞態(tài)、應(yīng)變軌時(shí)效脆化誘和氫脆等效。所以，己鋼材冶煉搏和軋制中棚，除降低建非金屬含悟量外，細(xì)役化晶粒、惡增加鐵素勾體和珠光懂體組織的蟻比例，鋼殺材的冷熱見加工中減村少應(yīng)變時(shí)享效等，都嚼有利于避移免發(fā)生層污狀撕裂。樹4常、影響層危狀撕裂的鄭設(shè)計(jì)和焊絮接工藝因老素賊（硬1帽）合理的容選材芹從經(jīng)濟(jì)性風(fēng)看執(zhí)，稿Z暴向鋼比普瓜通鋼貴很產(chǎn)多，盲目纖地選隔用微Z噴向鋼會(huì)增帆大橋梁建禾設(shè)的投資愿。相反，嗓復(fù)雜焊接完結(jié)構(gòu)中，闖當(dāng)順板厚咳方向作用棍拉應(yīng)力時(shí)窗，特別是躁外荷載引醉起的拉應(yīng)涂力循環(huán)作觀用時(shí)，就雹應(yīng)考慮采籌用稿Z踐向鋼，否滿則，產(chǎn)生腎層狀撕裂泛將影響結(jié)婚構(gòu)的安全眨。濁選進(jìn)用沫Z趁向鋼，需篇進(jìn)行抗層欲狀撕裂敏啊感性評(píng)定旦試驗(yàn)。通纏常采用十鮮字型全熔碗透角焊縫值接頭，順夢(mèng)板厚方向敘取園棒試廢樣進(jìn)行拉躺伸試驗(yàn)，抵測(cè)定其斷亮面收縮率碌，間賺表侍4凍，然后按均表股1絨進(jìn)瑞行企Z旗向爺鋼衛(wèi)何饒拐叛濤飲爬平少分級(jí)。綁：圓試樣替斷面積在：試樣拉羨斷處斷面河積眼圖倦4腎Z絹向拉伸試霉樣的準(zhǔn)備航及取樣場(chǎng)表慘1掀Z鹿向鋼分級(jí)速代號(hào)攝含結(jié)S垂量捏用途詢6軟個(gè)試樣平盈均值湖單試樣最劇小值仰Z15炕約辟<0.0擔(dān)1%衡>15%惰>10%申擔(dān)心可能壩產(chǎn)生層狀廟撕裂的焊沿接結(jié)構(gòu)賓Z25觀約桂<0.0壇08%怎>25%早>15%炒層狀撕裂雁危險(xiǎn)性很墾大的焊接攻結(jié)構(gòu)莫Z35添約電<0.0勺06%秋>35%啞>25%險(xiǎn)層狀撕裂她危險(xiǎn)性很備大、安全療度要求很宜高的焊接喂結(jié)構(gòu)宗（慘2哀）焊接接忠頭的設(shè)計(jì)渠由層狀撕及裂產(chǎn)生的壁原因可知紫，焊接時(shí)像，焊縫收括縮受到約蘋束容易產(chǎn)仙生層狀撕必裂，而且抬約束度越拳大越容易堂產(chǎn)生。所道以在結(jié)構(gòu)吐設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)跟注意：=1\*GB3槍①安剛度越大據(jù)、板越厚歪越容易產(chǎn)購(gòu)生層狀撕錢裂。=2\*GB3撥②聲相同板厚迅相同焊接華方法，焊壤縫斷面越刺大越易產(chǎn)童生層狀撕拾裂。=3\*GB3績(jī)③吐圖慢5盒－得7善舉例給出面了幾種角李焊縫接頭臭不同設(shè)計(jì)染形式對(duì)層扎狀撕裂的俘影響。貫績(jī)通板比不搖貫通板好瘦，沿貫通股板受力比茂沿中斷板贏受力好，已不熔透角掙焊比全熔釣透角焊好虹。良不良良不良咳圖晚5缸表貫通板角終焊縫比板帥端終止接繪頭有利于闊抗層狀撕慈裂不良不良良良不良聯(lián)圖趙6業(yè)搏改變受力維方向可降辭低層狀撕而裂的危害良不良較好較好較好較好差差挎圖舟7路T轎型或十字舒型焊接接喘頭中，不似熔透或部湯分熔透角輛焊縫比全勉熔透角焊弱縫好，單國(guó)側(cè)全熔透捧角焊縫最警不利。良良良差吹是a桐）反V象型坡六口夫傳堤擱至釣b凍）豎板嶼側(cè)拾L丙型坡煤口撇南借c戰(zhàn))做水平板羊側(cè)灶L豎型坡口恨圖租8假乘隅角焊接言中坡口形店式對(duì)層狀涼撕裂的影異響蒼a灶）多道小植線能量焊田接拍猴鈴夸恭b曬）少道大朗線能量焊僅接尤（需預(yù)熱藝避免冷裂循紋承）鳴輔圖孤9崇皮多道小線擺能量焊接型優(yōu)于大線六能量焊接低強(qiáng)度打底焊道低強(qiáng)度打底焊道汽圖槳1隊(duì)0贈(zèng)低強(qiáng)度打角底焊道有輕利于抑制嶄層狀撕裂CRCR(%)T(℃)室圖雀11極缺預(yù)熱對(duì)層焰狀撕裂的到影響陣（說3餓）加工及訪焊接工藝你鋼材加工瓶時(shí)要注意館：=1\*GB3式①軍熱加工時(shí)驚，應(yīng)避開府藍(lán)脆溫度竭（竿20挪0低℃編～柜30誰0碌℃煌）和紅脆否溫度苗（陜90蛋0悶℃壘～郵95季0御℃搜），以避遙免鋼材塑縣性和韌性靈的降低。=2\*GB3朋②著冷加工時(shí)竹應(yīng)確保一皇定的曲率恐半徑鴉（卷R>15伙t巧），以利斧于減少應(yīng)涌變時(shí)效脆遙化傾向和話塑性、韌灣性的降低咳。=3\*GB3包③飼圖邪8潑－毀1輛1莫中分別列邪舉了幾種隙焊接工藝嶺設(shè)計(jì)中，塔改善層狀陽撕裂的措覽施，如改轟善隅角焊擾的坡口形膝式，用小攔線能量焊部接取代大砌能量焊接溜，采用低闖強(qiáng)度焊道布打底、焊巧前預(yù)熱等象。便5平．層狀撕役裂的評(píng)定爪標(biāo)準(zhǔn)浮這里列出憂兩則層狀匪撕裂的評(píng)拆定方法零和趁Z予向鋼的選捉材標(biāo)準(zhǔn)，夢(mèng)供設(shè)計(jì)工渴程師和制儀造工程師閘參考。劑(1)雷誓日本土木駁協(xié)會(huì)結(jié)構(gòu)繡委員會(huì)鋼故材規(guī)格小勉委員會(huì)的富規(guī)定教選擇抗層滾狀撕裂鋼從材時(shí)，應(yīng)分根據(jù)經(jīng)濟(jì)快性和施工鹽方法，盡美可能在構(gòu)復(fù)件組成設(shè)霸計(jì)上下功灰夫，避免慈重要構(gòu)件消在板厚方質(zhì)向產(chǎn)生拉暖應(yīng)力，不舞得隨意使同用周Z衰向鋼，因邪為多數(shù)情醒況下，鋼屑材有足夠配的抗層狀贈(zèng)撕裂性能幅，或即使榮出現(xiàn)層狀弊撕裂，但型不影響結(jié)候構(gòu)的安全手性。軟結(jié)構(gòu)重要孫部分的焊亦接連接，叫且板厚大揭于旱15m摘m浩時(shí)，應(yīng)避落免在板厚柏方向產(chǎn)生絹拉應(yīng)力，郊不得已時(shí)西，才使用裂抗層狀撕籠裂鋼材?；鶎訝钏毫讶Φ陌l(fā)生受勵(lì)焊角尺寸千、接頭形羊狀、彎曲踏約束度和塞受拉約束石度的影響彈很大。因沾此，抗層膠狀撕裂鋼碎材選擇應(yīng)印按下式計(jì)穿算的層狀廢撕裂敏感減性指弓數(shù)涌Z尾，并根據(jù)莫表橋2營(yíng)選擇相應(yīng)徹的浴Z姓向鋼?？?1嚇)色式中靈，艇Z丹：鋼材厚亞度方向抗波層狀撕裂砍敏感指數(shù)虎Z葵a高：焊腳尺塵寸因素厭Z寶b寧：接頭形攏式因素暮Z療c扇：彎曲約臺(tái)束度因素丸Z廣d渴：拉伸約忘束度因惑素授盒表愿2里熱層狀撕裂掩敏感性指催標(biāo)噸Z游A忠、項(xiàng)Z與B院、宜Z詳C似、連Z條D決影響因素禾Z鉛n貞Z儉a爭(zhēng)焊角尺寸盆S腰≤撲10售10<神S吧≤孤20詠20<明S棉≤迫30腦30<蛛S畫≤姑40麗40<年S崗≤含50伙3璃6待9見12鞭15禽Z臺(tái)b鞭接頭形皮式餐(匹)訊內(nèi)為十字罪接頭形式才0(4)仆3(7)嘩5(9)糧8(12煌)隱Z舌c臺(tái)彎曲約束夫度（板厚染約束）計(jì)t拾≤著10顆10<閘t勾≤肆20住20<旗t國(guó)≤誓30塌30<絞t徹≤衡40袖40<姐t紗≤將50弦5稈0<縣t稍≤頃6敵0此但是，十輛字型接頭變中外t版≤毫2揀5即時(shí)賞2筒4套6精8皂10揪12螞8母Z湯d倚約束度亦約束度小猜約束度中木約束度大欺0酷3爪5織s捉：焊角尺腹寸烏，宣t遺：板厚逮，沫a般：焊縫喉顫高氣圖發(fā)12恐妄表經(jīng)2要中符號(hào)注攪釋芳表簡(jiǎn)3蓮淘用層狀撕蛾裂敏感性轟指蒼數(shù)均Z偏選久擇孔Z誘向鋼彼Z零板厚方向若斷面收縮屢率（％）堤Z泥向鋼等級(jí)宿（姑WES3培00她8蛾）電平均值宇最小值室Z估≤恰10滲10<是Z滋≤繪20燙20<反Z蓮≤傭30江30<Z弦－勞15設(shè)25擊35離－放10閥15育25基－翻Z15崗Z25刊Z35遠(yuǎn)（泛2雙）斑Euro懇Code堂3繳的規(guī)定桿一構(gòu)件與吉另一構(gòu)件謝焊接連接炮時(shí)，判斷皮發(fā)生層狀戚撕裂的可冒能性應(yīng)考禿慮以下因鉆素。涂①鍛金屬撕裂雕的敏感性尤圖競(jìng)1裁3冤層狀撕裂豬如栗圖容13似稼所示，水火平板在板跟厚方向的尺延性較差劑（延性用欺板厚方向土斷面收縮碧率表示）燈。物②新在板厚方使向因焊接梳連接而產(chǎn)蘭生拉應(yīng)變舞因焊縫金御屬冷卻收源縮而產(chǎn)生對(duì)應(yīng)變，當(dāng)禮水平板的佩自由位移論受到結(jié)構(gòu)數(shù)其他部件呼的約束，石該應(yīng)變將植極大增加食。=3\*GB3事③枯焊縫的方赤向性嬸如果焊縫除處的收縮忘應(yīng)變平行樸于扎制方狐向，或許我不至于產(chǎn)碎生層狀撕撤裂。如果竟焊縫熔合該面大體平征行于金屬屋表面，并稀且收縮應(yīng)獄變垂直于孔扎制方向擺可能產(chǎn)生貼層狀撕裂陷。=4\*GB3蓄④役遲加載形式計(jì)僅有荷載男引起的應(yīng)壽力，對(duì)層聰狀撕裂的水影響是次杏要的，但衡是當(dāng)該荷蜜載為循環(huán)憂加載和沖育擊加載時(shí)剩，將會(huì)增門大層狀撕魯裂的敏感瞎性。妥上述因素借中=1\*GB3螺①符主要是金寺屬材料本拉身，因素撤②息和=3\*GB3消③炕主要是受踏制造工藝賀的影響，爸因素=4\*GB3奉④窩是受設(shè)計(jì)債控制。渠據(jù)此，該的規(guī)范制訂殲了影撓響?yīng)zZ枝值巾（寬Z蠢方向斷面雪收縮率湯）的判據(jù)閘（見鈴表帝4出）吵及窩Z宴向鋼等級(jí)袋的選擇（品見字表蔑5似）。擊鋼媽材忌Z柄值按下式紗計(jì)算：（2）蠟式耍中才Z斬a中、龜Z未b露、暴Z槍c越、子Z瓦d督、德Z詠e瞞見捐表應(yīng)4罰。宗如云果錫Z肌≤雁1友0色，可不選昨用金Z召向鋼，而扇選用普通聰鋼。撤表焰4綢聯(lián)Z樹值判據(jù)猛a湖焊角尺寸殺焊喉尺座寸忠a恥≤蠢50m郊m飛時(shí)溉取聽Z狗a歉＝云0.3s傘b阿焊縫形狀宇及位置陵Z蜓b蛛＝植-25掏Z恰b霜＝捷-10勞Z區(qū)b從＝夸-5萬Z襖b儉＝捷0=1\*GB3象①界②=1\*GB3=1\*GB3①②取采用合適雹的焊接順稅序降低焊揮縫收縮的穴影響孤Z殖b疲＝形3盼Z姓b濕＝澇5辟Z勞b均＝扶8魚c茶板厚使收設(shè)縮受約束禿板嗚厚峽t漸≤回60mm籠Z硬c銳＝紅0.2t優(yōu)d旺結(jié)構(gòu)其它切部件對(duì)收侮縮的約束豎低約束：誓可自由收昂縮（搖如由T項(xiàng)型接頭）驕Z解d少＝逐0捐Z啄d肆＝催3逐Z荒d凡＝焦5詠中約束：挨自由收縮生被約束（院如箱梁橫虜隔板）瑞強(qiáng)約束：放不能自由耳收縮（如秩正交異性給板的縱梁篇）算e布施焊倒不預(yù)熱切Z岔＝思0銜預(yù)熱溫攀度鑒>10羅0亞℃關(guān)Z兵＝昌－墓8靈注：是指遇在板厚方醬向，僅是得靜荷載或獻(xiàn)僅是受壓可引起的應(yīng)蜓力堵，辟Z位c葬值可降燥低臟5墾0放％（如底慮板）熟表普5殼Z長(zhǎng)向鋼等級(jí)涂及其選擇訪Z奔計(jì)算值覺Z型向鋼等級(jí)使（鄰EN1戀016奧4問）獲Z兼≤蘿10猛10<械Z胸≤曬20份20<購(gòu)Z沖≤抽30未30<Z竿－泡Z15布Z25剩Z35參考文獻(xiàn)蕩日本焊接稻協(xié)會(huì)規(guī)格唱，耐ラメ它ラテア鋼名材の特性撓，溶接技賀術(shù)嚷No.連2,19旁82蟻陳伯蠡，農(nóng)焊接冶金后原理，清懲華大學(xué)出對(duì)版社床，憤1991顆鋼材添と夸橋梁獻(xiàn)，電200端0燈年起日本土木弊學(xué)會(huì)鋼構(gòu)歪造委員會(huì)堆鋼材規(guī)格擺小委員會(huì)廊，耐ラメ釀ラテア鋼受の土木結(jié)愚構(gòu)造開物壁斥適用特性吳，土木學(xué)躺會(huì)誌械，叨198項(xiàng)5局年扭8復(fù)月號(hào)。育Euro盲Code甲3巷，繞Desi短gns究teel踐str有uctu州res,顧Part拜2:役ste息elB袖ridg鄙es,折Anne勸xD,卡Gui倆danc勝eon頭The滲Cho泛ice鼓oft爭(zhēng)hrou逮ght襪hick熊ness寬gra妄de.耽1997蜂lame奇llar暴tea訊ring庭of苦the摟stee昂lsa耕ndt奉he賣desi危gn址of甲weld浮joi