钢材层状撕裂及抗层状撕裂焊接接头的设计

第 2 6卷 ,第6期　　　　 　　　　　中 国 铁 道 科 学 Vol126 No16 　 2 0 0 5 年 1 1 月　　　　　　　　 　CHINA RAIL WA Y SCIENCE November , 2005 　 文章编号 : 100124632 (2005) 0620069206 钢材层状撕裂及抗层状撕裂焊接接头的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 史永吉1 , 王　辉1 , 方　兴1 , 白　玲2 (11 铁道科学研究院 铁道建筑研究所 , 北京 　100081 ; 21 铁道科学研究院 铁道科学技术研究发展中心 , 北京 　100081) 　　摘 　要 : 钢材层状撕裂是焊接钢桥中一种非常危险的缺陷 , 通常发生在角焊接头处。钢材中夹杂物的数量、 分布和形态以及基体金属的塑性和韧性是影响层状撕裂的钢材因素。钢材中含硫量越多 , 夹杂物以片状形态大 量密集于同一平面 , 发生层状撕裂的倾向就越大。钢材的刚度越大、板越厚 , 越容易产生层状撕裂。相同板厚、 相同焊接方法条件下 , 焊缝断面越大 , 越易产生层状撕裂。角焊缝接头中选择贯通板 , T 型或十字型焊接接头 中选择不熔透或部分熔透角焊缝 , 热加工时避开蓝脆温度和红脆温度 , 冷加工时确保一定的曲率半径 (大于 15 倍板厚) , 改善隅角焊的坡口形式 , 用小线能量焊接取代大能量焊接 , 采用低强度焊道打底、焊前预热等 , 均可 抑制层状撕裂的发生。同时 , 给出日本和 Eurocode3 的层状撕裂评定方法和 Z向钢的选材标准 , 以便设计和制造 人士准确把握。 　　关键词 : 钢桥 ; 钢材 ; 层状撕裂 ; Z向钢 ; 焊接 ; 抗层状撕裂控制 　　中图分类号 : TG457111 ; U4451583 　　文献标识码 : A 　收稿日期 : 2005204227 　作者简介 : 史永吉 (1941 —) , 男 , 江苏南京人 , 研究员。 　　大型焊接结构中 , 当在板厚方向作用拉应力 , 特别是外荷载引起循环拉应力作用时 , 焊缝冷却收 缩引起近缝区母材上的层状撕裂是一种非常危险的 缺陷。原因是 : ①层状撕裂很难发现 , 也难以修 复 ; ②在循环拉应力作用下 , 断续的单个层状撕裂 很快扩展、聚合、形成一个大裂纹 , 再扩展 , 直至 结构破坏 , 整个过程发生时间很短 , 破坏突然。 如何避免层状撕裂及由此造成的严重危害 , 现 已成为焊接结构设计中的重要问题。它涉及钢材的 选择 , 焊接接头的设计及焊接工艺。 抗层状撕裂钢 , 又称 Z 向钢 , 是指板厚方向 的延性 (或塑性) 应达到一定指标的钢[1 ] 。它的 价格比普通钢材贵许多。 不当的选材将无端增大桥梁建设投资。因为一 座桥梁 , 不是所有构件都要求板厚方向达到一定的 延性标准 , 其中绝大部分构件不要求钢材具有 Z 向延性 , 但是有 Z 向延性要求的构件 , 又必须选 用 Z向钢。 1 　层状撕裂产生机理 　　层状撕裂不同于通常发生在焊缝上的热裂纹和 冷裂纹 , 它是发生在热影响区和靠近热影响区母材 上的一种特殊裂纹。 层状撕裂通常发生在角焊接头中 (如 T 型接 头、十字型接头和隅角焊接头等) , 见图 1 所示。 图 1 　典型焊接接头的层状撕裂 　　产生层状撕裂的主要原因是钢材中含有微量非 金属夹杂物 , 特别是硫化物 , 如 MnS , 其次是 SiO2 , Al2O3 等氧化物。轧制钢材时 , 这些夹杂物 受到延压 , 呈片状分布在平行于钢板 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面的板材 中。焊接时 , 焊缝金属由液相冷却而凝结成固相 , 伴随发生收缩。当收缩力顺板厚方向的拉应力达到 一定程度后 , 夹杂物与基体金属沿弱结合面脱开而 产生开裂 , 严重时 , 会造成相邻夹杂物之间基体金 属的晶界断裂、穿晶断裂或韧窝断裂 , 形成层状撕 裂[2 ] 。层状撕裂的形成和微观示意图见图 2 所示。 图 2 　层状撕裂的形成及微观图 　　层状撕裂裂缝长度可能是夹杂物长度的几倍 , 甚至数十倍、数百倍 , 所以 , 层状撕裂绝不仅仅是 非金属夹杂物的裂开。当外荷载引起顺板厚方向的 拉应力循环作用时 , 单个层状撕裂将很快扩展 , 聚 合成较大的疲劳裂纹 , 直至结构破坏。层状撕裂引 发的裂纹很难修复。 2 　影响层状撕裂的因素 211 　钢材因素 21111 　钢材中的非金属夹杂物 钢材中都含有一定的不同类型的非金属夹杂 物 , 最常见的是硫化物、硅酸盐、氧化铝等。不论 是哪一种夹杂物 , 它与基体金属的结合力均低于基 体金属本身的强度 , 任何一种非金属夹杂物都可能 导致产生层状撕裂。关键是夹杂物的数量、分布及 形态 , 如果夹杂物以片状形态大量密集于同一平面 时 , 就比较容易产生层状撕裂 ; 如果是单个夹杂 物 , 即使长度较大 , 其端部的曲率半径大于数量多 又密集的片状夹杂物 , 也不一定会引发层状撕裂。 现已明确 , 钢中含硫量越多 , 顺板厚方向拉伸 的塑性 (用断面收缩率φz 表示 , 计算方法见式 (1) ) 越低 , 发生层状撕裂的倾向就越大。图 3 给 出了钢中含硫量与 Z 方向断面收缩率φz 之间的关 系。由此可用钢材 Z 向断面收缩率来评定钢材抗 层状撕裂的性能[3 ] 。以此定义具有良好抗层状撕 裂性能的钢材为 Z向钢。 　　φz = φ1 - φ2 φ1 (1) 式中 : φ1 为圆试样断面积 ; φ2 为试样拉断处断面 积。 图 3 　钢中含硫量与 Z方向断面收缩率φz 之间的关系 21112 　母材的基体性能 从层状撕裂的形成过程可知 , 层状撕裂与非金 属夹杂物的分布、密集程度有直接关系 , 且层状撕 裂裂纹中 , 是形成同一平面内相邻夹杂物的“平 台”部分还是形成不同平面内相邻夹杂物的“壁” 部分 , 与钢材基体金属的塑性和韧性有关。 　　影响基体金属塑性和韧性的因素很多 , 如晶粒 细化程度、金相组织状态、应变时效脆化和氢脆 等。因此 , 在钢材冶炼和轧制中 , 除降低非金属含 量外 , 细化晶粒、增加铁素体和珠光体组织的比 例 , 钢材的冷热加工中减少应变时效等 , 都有利于 避免层状撕裂的发生。 212 　设计和焊接工艺因素 21211 　合理选材 从经济性看 , Z向钢比普通钢贵很多 , 盲目地 选用 Z 向钢会增大桥梁建设的投资 ; 相反 , 复杂 焊接结构中 , 当顺板厚方向作用拉应力时 , 特别是 外荷载引起的拉应力循环作用时 , 就应考虑采用 Z 向钢 , 否则将产生层状撕裂影响结构的安全。 选用 Z 向钢 , 需进行抗层状撕裂敏感性评定 试验。通常采用十字型全熔透角焊缝接头 , 顺板厚 方向取园棒试样 (如图 4 所示) 进行拉伸试验 , 测 定其断面收缩率 , 然后按表 1 进行 Z向钢分级。 图 4 　Z向拉伸试样的准备及取样 07 中 　国 　铁 　道 　科 　学 　　　　　　　　　　　　　　　　　第 26 卷 表 1 　Z向钢分级 代号 含硫量 φz 6 个试样 平均值 单试样 最小值 用途 Z15 约 < 0101 % > 15 % > 10 % 担心可能产生层状撕裂的焊接结构 Z25 约 < 01008 % > 25 % > 15 % 层状撕裂危险性很大的焊接结构 Z35 约 < 01006 % > 35 % > 25 % 层状撕裂危险性很大、安全度要求很高的焊 接结构 21212 　焊接接头设计 由层状撕裂产生的原因可知 , 焊接时 , 焊缝收 缩受到约束容易产生层状撕裂 , 而且约束度越大越 容易产生。所以在结构设计时应注意 : 1) 刚度越大、板越厚越容易产生层状撕裂 ; 　　2) 在相同板厚、相同焊接方法条件下 , 焊缝 断面越大 , 越易产生层状撕裂 ; 3) 不同设计形式的角焊缝接头对层状撕裂的 影响不同 (见图 5 所示) 。贯通板比不贯通板好 , 图 5 　不同设计形式的角焊缝接头 沿贯通板受力比沿中断板受力好。T 型或十字型焊 接接头中 , 不熔透或部分熔透角焊缝比全熔透角焊 缝好 , 单侧全熔透角焊缝最不利。 21213 　加工及焊接工艺 钢材加工时应注意以下几点。 1) 热加工时 , 避开蓝脆温度 (200～300 ℃) 和红脆温度 (900～950 ℃) , 以避免钢材塑性和韧 性的降低。 2) 冷加工时 , 确保一定的曲率半径 ( R > 15 t) , 以利于减少应变时效脆化倾向和塑性、韧性的 降低。 3) 不同的焊接工艺对层状撕裂的影响不同 (见图 6 —图 9 所示) 。改善隅角焊的坡口形式 , 用 小线能量焊接取代大能量焊接 , 采用低强度焊道打 底、焊前预热等 , 均可抑制层状撕裂的发生。 图 6 　隅角焊接中坡口形式对层状撕裂的影响 图 7 　多道小线能量焊接优于大线能量焊接 (需预热避免冷裂纹) 图 8 　低强度打底焊道有利于抑制层状撕裂 17第 6 期 　　　　　　　　　　　　　　钢材层状撕裂及抗层状撕裂焊接接头的设计 图 9 　预热对层状撕裂的影响 3 　层状撕裂的评定标准 　　由于我国还没有相关的标准 , 这里列出两则层 状撕裂的评定方法和 Z 向钢的选材标准 , 供相关 设计和制造人员参考。 311 　日本土木协会结构委员会钢材规格小委员会 的规定[4 ] 　　选择抗层状撕裂钢材时 , 应根据经济性和施工 方法 , 在构件组成设计上下功夫 , 避免重要构件在 板厚方向产生拉应力。不得随意使用 Z 向钢 , 因 为多数情况下 , 钢材有足够的抗层状撕裂性能 , 或 即使出现层状撕裂 , 但不影响结构的安全性。 　　结构重要部分的焊接连接 , 在板厚大于 15 mm 时 , 应避免在板厚方向产生拉应力 , 不得已 时 , 才使用抗层状撕裂钢材。 　　焊角尺寸、接头形状、弯曲约束度和受拉约束 度对层状撕裂的发生影响很大 , 其影响用层状撕裂 敏感性指数 Z 体现 , 按下式计算 : 　　 Z = Za + Zb + Zc + Zd (2) 式中 : Za 为焊脚尺寸因素 ; Zb 为接头形式因素 ; Zc 为弯曲约束度因素 ; Zd 为拉伸约束度因素。 各单项因素的层状撕裂敏感性指数列于表 2。 抗层状撕裂钢材的选择 , 应先按式 (2) 计算 层状撕裂敏感性指数 Z , 然后根据表 3 选择相应的 Z向钢。 312 　Euro Code3 的规定 一构件与另一构件焊接连接时 , 判断发生层状 27 中 　国 　铁 　道 　科 　学 　　　　　　　　　　　　　　　　　第 26 卷 表 3 　用层状撕裂敏感性指数 Z 选择 Z向钢 Z 板厚方向断面收缩率/ % 平均值 最小值 Z向钢等级 ( WES3008) Z ≤10 — — — 10 < Z ≤20 15 10 Z15 20 < Z ≤30 25 15 Z25 Z > 30 35 25 Z35 撕裂的可能性应考虑以下因素。 1) 金属撕裂的敏感性。 2) 在板厚方向因焊接连接而产生的拉应变 　 因焊缝金属冷却收缩而产生应变 , 当水平板的自由 位移受到结构其他部件的约束 , 该应变将极大增 加。 3) 焊缝的方向性 　如果焊缝处的收缩应变平 行于轧制方向 , 或许不至于产生层状撕裂 ; 如果焊 缝熔合面大体平行于金属表面 , 并且收缩应变垂直 于轧制方向可能产生层状撕裂。 4) 加载形式 　仅有荷载引起的应力 , 对层状 撕裂的影响是次要的 , 当该荷载为循环加载和冲击 加载时 , 将会增大层状撕裂的敏感性。 上述因素中 1) 主要是金属材料本身 , 因素 2) 和 3) 主要受制造工艺的影响 , 因素 4) 受设计控 制。 37第 6 期 　　　　　　　　　　　　　　钢材层状撕裂及抗层状撕裂焊接接头的设计 　　据此 , 该规范制订了影响 Z 值 ( Z 方向断面 收缩率φz ) 的判据 (见表 4) 及 Z向钢等级的选择 (见表 5) 。 表 5 　Z 向钢等级及其选择 Z 计算值 Z向钢等级 ( EN 10164) Z ≤10 — 10 < Z ≤20 Z15 20 < Z ≤30 Z25 30 < Z Z35 　　钢材 Z 值按下式计算 : 　　 Z = Za + Zb + Zc + Zd + Ze (3) 　　如果 Z ≤10 可不选用 Z向钢 , 而选用普通钢。 4 　结术语 　　钢材层状撕裂是焊接钢桥中的一种非常危险的 缺陷 , 慎重选材、合理的焊接接头设计和施焊工 艺 , 可以避免层状撕裂的发生或由 此造成的危害。 参 考 文 献 　 [1 ] 　日本焊接协会. 耐 É Á É ƒ ‚钢材 の特性 [J ] . 溶接技术 , 1982 , (2) . 　 [2 ] 　陈伯蠡. 焊接冶金原理 [ M ] . 北京 : 清华大学出版社 , 1991. 　 [3 ] 　深　诚. 机能钢材 [J ] . 桥梁 と基础 , 1995 , (12) . 　 [4 ] 　日本土木学会钢构造委员会钢材规格小委员会. 耐 É Á É ƒ ‚ 钢 の土木结构造物适用特性 [J ] . 土木学会 , 1985 , (8) . 　 [5 ] 　Euro Code3. Design Steel Structures , Part 2 : Steel Bridges , Annex D , Guidance on the Choice of Through Thickness Grade [ S] . 1997. Lamellar Tearing of Steel and the Welding Joint Design to Avoid Lamellar Tearing SHI Yong2ji1 , WAN G Hui1 , FAN G Xing1 , BAI Ling2 (1. Railway Engineering Research Institute , China Academy of Railway Sciences , Beijing 　100081 , China ; 2. Railway Science and Technology Research and Development Center , China Academy of Railway Sciences , Beijing 　100081 , China) Abstract : Lamellar tearing of steel is a kind of very dangerous defect of the welding steel bridge and normally takes place at the fillet welding joint . The amount , dist ribution and configuration of the inclusions and the plas2 ticity and toughness of the metal matrix are all the factors that can influence the lamellar tearing. If there is more sulfur in the steel and the steel contains many inclusions with flake configuration in the same plane with high density , lamellar tearing tends to happen with high probability. The lamellar tearing is easier to occur if the steel plate has higher stiffness and greater thickness. And with the same plate thickness and weld technology , lamellar tearing is easier to occur if the weld section has larger size. Measures to rest rain lamellar tearing are as follows : selecting integrity plate in the fillet weld joint , selecting fillet weld without penetration or with partial penetration in T type or + type weld joint , avoiding blue brittleness and red brittleness temperature during heat machining , keeping curvature radius which must be greater than 15 times plate thickness during cold machin2 ing , improving groove type of the fillet weld , replacing large energy welding with low energy welding , using low strength weld bead , pre2heating before welding , and etc. . Japanese and Euro Code3 methods for evaluating lamellar tearing and the standards for selecting Z direction steel are presented for designers and manufacturers as references. Key words : Steel bridge ; Steels ; Lamellar tearing ; Z direction steel ; Welding ; Lamellar tearing control (责任编辑 　吴 　彬) 47 中 　国 　铁 　道 　科 　学 　　　　　　　　　　　　　　　　　第 26 卷