特殊条件焊接裂纹

11-4特殊条件焊接裂纹特殊条件焊接裂纹，主要讨论：层状撕裂，低温下焊接时的裂纹，水下焊接时的裂纹。一.层状撕裂：层状撕裂----厚板结构焊接时，由于Z向（板厚方向）受力而致使沿其的轧层产生开裂的现象，谓之层状撕裂。层状撕裂，主要产生于厚板角焊时，其特征为平行于钢板表面，沿轧制方向呈阶梯形发展。这种裂纹往往不限于热影响区内，也可出现在远离表面的母材中。其产生的主要原因是由于金属中非金属夹杂物的层状分布，使钢板沿板厚方向塑性低于沿轧制方向，另外由于厚板角焊时在板厚方向造成了很大的焊接应力，所以引起层状撕裂。通常认为片状硫化物夹杂危害最大，而层状硅酸盐和过量密集的氧化铝夹杂物也有影响。防止这种缺陷，主要应在冶金过程中严格控制夹杂物的数量和分布状态。另外，改进接头设计和焊接工艺，也有一定的作用。（一）层状撕裂产生原因与特征：1.层状撕裂产生原因：（1）内因----母材轧制时，缘轧层上存在脆弱的轧层----非金属夹杂物。（由于夹杂物与基体脱离而形成的层状撕裂，可称为脱聚开裂）（2）外因----焊接时，承受较大的Z向（板厚方向）拉伸应力。2.常见层状撕裂的焊接结构及分类：（1）常见层状撕裂的焊接结构：1）T形接头如：海洋采油平台、承受高周疲劳作用的车辆底盘、建筑结构的箱形梁柱、罐车或油船中隔板加强肋等。2）角接接头如：压力容器沉淀釜等（2）层状撕裂按其启裂点分类：第一类----以焊根冷裂纹或焊趾冷裂纹为启裂源，并沿轧层扩展的层状撕裂。如图1-4-1所示：焊根冷裂纹为启裂源焊趾冷裂纹为启裂源图1-4-12第二类----沿热影响区中的轧层夹杂物启裂的层状撕裂。如图1-4-2所示：沿热影响区轧层夹杂物启裂的层状撕裂沿板厚中心（远离热影响区）轧层夹杂物启裂的层状撕裂图1-4-2图1-4-3第三类----沿板厚中心（远离热影响区）轧层夹杂物启裂的层状撕裂。如图5-5-3所示：3.层状撕裂发生部位：（1）层状撕裂最易产生于全溶透的T形接头或角接接头中。（2）主要发生于热影响区，在热影响区以外的母材中也有发生。（3）层状撕裂形成的根本条件：是轧层中存在多量非金属夹杂物，而易于造成脱聚开裂。因此，即使低碳钢的厚板接头也有层状撕裂的危险！（4）层状撕裂不会产生于焊缝中！4.层状撕裂特征：（1）脱聚开裂：层状撕裂属于冷裂范畴，但不同于通常所说的焊接冷裂纹（氢致裂纹或淬硬开裂），而与夹杂物存在（夹杂物与基体脱离）的脱聚开裂是其最大特点。故此，仅仅依靠预热和消氢处理，难以防止层状撕裂！（2）层状撕裂的起源：层状撕裂是一种产生于母材内部的微小裂纹，不但无损探伤比较难以发现，且更难以排除或修补。（3）延迟性：层状撕裂在焊接过程中即可形成，也可在焊接结束后启裂和扩展，甚至还可能延迟至使用期间才见到层状撕裂----具有延迟破坏性。（4）层状撕裂的断口特征：台阶（由平台和剪切壁组成）、韧窝。1）平台：层状撕裂的内因是：金属材料中存在非金属夹杂物，焊接时在Z向拉应力的作用下，非金属夹杂物与金属基体结合处脱离，形成显微裂纹；裂纹两尖端的缺3口效应造成应力、应变集中，使裂纹沿自身所处的平面扩展；在同一平面相邻的一群夹杂物连成一片，形成一个“平台”。在扫描电镜高倍下观察时，在平台表面可见到大量片状、球状、长条状的非金属夹杂物。2）剪切壁：由于夹杂物不一定全处于一个平面，所以也可能在不同轧层形成平台；邻近的平台，在裂纹尖端处由于产生切应力的作用而发生剪切断裂，便形成了“剪切壁”。在扫描电镜，低倍下的层状撕裂断口呈典型的木纹状----这是层层平台在不同高度分布的结果。这些平台与剪切壁便构成了层状撕裂所特有的台阶状裂纹。3）韧窝：①层状撕裂主要是由于Z向拉应力达到一定程度后，使夹杂物与基体金属沿弱结合面脱离而开裂。②裂纹长度比夹杂物长度大几倍乃至几百倍，故层状撕裂不是夹杂物的简单开裂。③金属基体总是具有一定的塑性变形能力，当夹杂物与母材基体脱离或夹杂物本身开裂后，基体金属仍会有较大的塑性变形，故断口表面会有大量韧窝（夹杂物散布于韧窝中）。（二）影响层状撕裂的因素：1.钢中轧层上的夹杂物：（1）最常见的是硫化物与硅酸盐夹杂物：1）目前还很难通过试验区分清楚，究竟是哪一种夹杂物对层状撕裂的影响更大。2）钢中含硫量越多，Z向拉伸的延性就越差----层状撕裂倾向越大。为提高钢的抗层状撕裂性能，应尽量降低钢的含硫量。3）具有良好抗层状撕裂的钢，称之为“Z向钢”。一般按含硫量及断面收缩率对Z向钢进行分级。如下表所示：标记钢的含硫量（%）断面收缩率（%）用途6个试样平均值单个试样Z150.0101510可能产生层状撕裂的焊接结构Z250.0082515层状撕裂危险性大的焊接结构Z350.0063525层状撕裂危险性大而又特别重要的焊接结构4（2）应当强调----夹杂物的成分，不是影响层状撕裂的决定性因素：不论何种夹杂物，它与基体金属的结合力均低于金属基体的强度。均可造成层状撕裂。（3）夹杂物的大小、形态、数量、分布特性对层状撕裂的影响：1）从夹杂物的大小来看，主要决定于它们的平均长度和总长。2）从夹杂物的形态来看，端部尖锐的薄片状比端部钝而厚的影响要大。3）从夹杂物的数量、分布来看，只要是片状夹杂物（硫化物、硅酸盐、氧化铝等），大量密集于同一平面内，都易造成层状撕裂。2.母材基体性能的影响：从层状撕裂的断口特征-----台阶（由“平台”和“剪切壁”组成）、韧窝来看，可知：层状撕裂的“平台”是由同平面的许多、分离的夹杂物开裂后，相互扩展而连成的；“剪切壁”是由相邻平面裂纹通过剪切而连通形成的。不论是水平方向扩展、还是垂直方向扩展剪切，都直接与基体金属性能有联系！特别是夹杂物数量不多时，基体性能对层状撕裂的影响更为突出！（1）基体金属的延性、韧性对层状撕裂的影响：实践证明，断面收缩率对层状撕裂的影响非常明显：1）10%，在低度拘束的T形接头（工字梁），就可能有一些层状撕裂倾向。2）缩率≤15%，在中等拘束的接头，如箱形梁柱，会有一定的层状撕裂倾向。3）缩率≤20%，只有在高拘束度的接头（如节点板），时有一定层状撕裂倾向。4）缩率≥25%，在任何接头中，一般都不致产生层状撕裂。（2）组织状态的影响：显然，织硬脆会增大层状撕裂的敏感性。1）碳当量大的钢，会增大层状撕裂的敏感性。2）扩散氢含量增高（冷裂敏感指数高），会使层状撕裂倾向增大。3）硫的含量增高，层状撕裂倾向增大。（3）对于低碳钢厚板结构而言（碳当量很小、对氢脆也不敏感）：层状撕裂主要决定于夹杂物总长或硫的含量。3.接头形式的影响：有文献总结已往层状撕裂实例，对焊接接头层状撕裂危险提出下列关系式：层状撕裂危险=焊脚尺寸的影响（为0.3S）＋接头形式的影响＋接头横向拘束的影响（为50.2δ）＋拘束度的影响＋预热条件的影响层状撕裂危险与各关系表影响因素参变因素层状撕裂的危险性焊脚尺寸的影响焊脚尺寸S（mm）（计算值0.3S）S=10S=20S=30S=40S=503691215接头形式的影响①0.7δ-25②0.5δ-10③-5接头形式的影响④0⑤3（多道焊）⑥5（多层焊）⑦86接头横向拘束接头横向拘束=0.2δδ=20δ=40δ=604812拘束度束度低-----可自由收编，如④的T形接头中----可部分自由收编，如隔板高----难以自由收编，如环焊缝035预热条件不预热预热温度100°C0-8层状撕裂危险为正值时，表示具有大的层状撕裂危险，其值越大，危险性越大；层状撕裂危险为负值时，表示具有抵抗层状撕裂的性能，其绝对值越大，抗层状撕裂性能越好。从表中可看出：（1）焊脚尺寸S的影响，S值越大，层状撕裂危险越大。（2）接头形式的影响：1）表中①不会引起较大的Z向拉应力，不致引起层状撕裂，具有最优异的抗层状撕裂的性能。故层状撕裂危险值=－25。2）表中②由于在Z向开了坡口，提高了抗层状撕裂性能，也有较好的抗层状撕裂的性能。故层状撕裂危险值=－10。3）表中③应用延性优异的低强隔离焊缝，由于其承受Z向应力的作用，从而减轻对轧层的作用，也提高了抗层状撕裂的性能。故层状撕裂危险值=－5。4）表中④为未开坡口的T形接头，这种角焊缝不会引起较大的Z向拉应力，一般不会出现层状撕裂。故层状撕裂危险值=05）表中⑤为开坡口的T形接头，又未应用隔离焊缝，其层状撕裂倾向增大。其层状撕裂危险值=3～5。6）表中⑥与②同为角接接头，虽也开坡口，但⑥之立板会有较大的Z向拉应力，所以其层状撕裂倾向大，层状撕裂危险值=8。（3）接头横向拘束的影响：板厚（δ）越大，层状撕裂危险越大！层状撕裂危险值=0.2δ。（4）拘束度的影响：拘束度越大，层状撕裂倾越大！7（5）预热条件的影响：采用预热有利。（三）防止层状撕裂措施：1.正确选用Z向钢：在接头形式一定时，焊接工艺方式对层状撕裂有一定影响，但是产生层状撕裂主要取决于钢材材质。因此，当层状撕裂危险值较大时，必须采用断面收缩率较大的、含硫量低的Z向钢。（1）结构件整体选用Z向钢：下表列出了层状撕裂危险值与所要求的断面收缩率对应数值。层状撕裂危险值与所要求的断面收缩率对应数值层状撕裂危险值要求的断面收缩率对应值（%）平均值最小值≤1010～2020～3030--152535--101525（2）结构件部分选用Z向钢：无论管接头还是板接头，处于角焊缝强烈Z向垃用力作用部位可采用一段优质Z向钢。如图1-4-4所示：普通钢管普通钢材Z向钢管Z向钢图1-4-4（3）选用适当断面收缩率的钢材，以适应不同拘束度的构件。要求断面收缩率值应随拘束度的增大而增大。如下表：接头形式板厚δ（mm）拘束度（N•mm-²）断面收缩率（%）T形接头（不溶透）立δ=25水平δ=20500010T形接头（完全溶透）立δ=40水平δ=301200020＋字接头（不溶透）立δ=水平δ=201000015＋字接头（完全溶透）立δ=水平δ=4020000252.减小拘束度或拘束应变：8（1）贯通坂端部延伸一定长度有利：超出板厚临界长度不良良以上两种接头形式中，只要将接头中的贯通板（出现层状撕裂的板件），端部延伸出一定长度（超出板厚一定尺寸），即可防止启裂。注意！这里与再热裂纹中举例：改进结构形式，原设计下降管为“内伸式”（伸出），结构刚性较大。改为管端面与汽包内壁齐平，使结构的刚性有所降低。有不同之处，请各位一定要具体问题具体分析处理！（2）改变焊缝布置使接头总的受力方向与轧层平行，可大大改善抗层状撕裂性能。如下图所示：不良良（3）改变坡口位置，以改变应力、应变方向：如下图所示。层状撕裂危险值大层状撕裂危险值居中层状撕裂危险值最小（4）减小焊脚尺寸：减少焊缝金属体积----咸少焊缝的收缩应变。3.改进焊接工艺：（1）焊接方法选用：9采用低氢的焊接方法有利，一般来说，气体保护焊比焊条电狐焊有利于改善层状撕裂性能（冷裂倾向小）。（2）填充金属的选择：1）采用低强组配的焊接材料有利----焊缝金属屈服点低、延性高，使应变集中于焊缝而减轻母材热影响区的应变，从而改善抗层状撕裂性能。2）超强组配的焊接材料不利-----应避免采用超强组配的焊接材料！（3）焊接技术的运用：1）堆焊隔离层-----采用高延性、低强组配的焊接材料，堆焊隔离层。2）对称施焊----使应变分布均衡，减少应变集中。3）采用适当小的线能量----减少热输入，从而减小收缩应变。注意适当二字，否则可能产生冷裂纹。4）控制焊缝尺寸，避免焊成过大的焊脚，采用小焊道、多道焊。5）严格控制焊接顺序，尽可能减小垂直于板面方面的约束。以减小垂直于板面方向的拉应力！（4）其他措施：1）预热----适当预热有利，但须防止因此而增大收缩应变。2）中间退火消涂应力。3）锤击焊缝减少应力。4.焊接前对焊道中心两侧各2倍板厚＋30mm区域内，进行超声波探伤检查，母材中不得有裂缝，夹层或者分层等缺陷存在。小结：在具体条件下，应分析层状撕裂的成因，有针对性地采取措施！下表可供参考。层状撕裂启裂源分类及其防止措施启裂源分类成因防止措施第Ⅰ类以焊根冷裂纹或焊趾冷裂纹为启裂源，并沿轧层扩展的层状撕裂。1.影响冷裂纹的因素（