（哈爾濱焊接技術(shù)培訓(xùn)中心，黑龍江哈爾濱150046）

0 前言

在常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，強(qiáng)度計(jì)算方法是以材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度來(lái)衡量其抗斷能力，并將材料抽象為均質(zhì)、連續(xù)和各向同性的，不考慮材料內(nèi)部缺陷、內(nèi)應(yīng)力、表面應(yīng)力集中的作用，而是用較大的安全系數(shù)統(tǒng)籌考慮它們的影響。但焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮實(shí)際材料中微小缺陷和板材不同方向力學(xué)性能差異的問(wèn)題，因?yàn)檫@些都可能造成宏觀(guān)的焊接缺陷或焊接結(jié)構(gòu)的失效。所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，特別是焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮材料的力學(xué)性能，還必須考慮材料本身在制造過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題。例如結(jié)構(gòu)局部焊接殘余應(yīng)力過(guò)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(wěn)擴(kuò)展而發(fā)生脆性斷裂。軋制厚板材中，非金屬物夾層和厚度方向力學(xué)性能不足以及焊接殘余應(yīng)力過(guò)大等原因，會(huì)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(chǎn)生原因和預(yù)防措施。

1 層狀撕裂產(chǎn)生原因

層狀撕裂通常是在結(jié)構(gòu)的制造過(guò)程中產(chǎn)生，而非在使用過(guò)程中。軋制厚板材的T型接頭或十字型接頭中最常發(fā)生層狀撕裂，產(chǎn)生層狀撕裂的幾種典型結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

層狀撕裂的產(chǎn)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(xué)性能不一致，板材在軋制過(guò)程中會(huì)形成平行于板材表面的非金屬物夾層，且板材越厚問(wèn)題越嚴(yán)重，所以設(shè)計(jì)和制造中應(yīng)盡量避免使用過(guò)厚的材料。如果使用厚板必須附加一些技術(shù)要求，例如德國(guó)鋼結(jié)構(gòu)制造標(biāo)準(zhǔn)DIN18800-7中規(guī)定[1]，承受垂直于表面方向拉應(yīng)力且厚度超過(guò)10 mm的鋼板，應(yīng)進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)，以檢測(cè)厚板中是否有過(guò)多或超標(biāo)的冶金缺陷，檢驗(yàn)必須根據(jù)EN 10160（厚度大于等于6 mm板材產(chǎn)品的超聲波檢驗(yàn)），板材本體需達(dá)到等級(jí)S1和板材邊緣需達(dá)到等級(jí)E1的標(biāo)準(zhǔn)。超過(guò)30 mm厚度的板材要進(jìn)行堆焊彎曲試驗(yàn)，以檢驗(yàn)厚板材的止裂性能。歐洲的鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)EN1090-2[2]和其他制造標(biāo)準(zhǔn)[3]中也都有類(lèi)似規(guī)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(xué)性能盡量均勻。另一方面是焊接產(chǎn)生了較大的殘余應(yīng)力，如圖2中箭頭方向所示，殘余應(yīng)力的方向垂直于板材的厚度方向。兩方面共同作用就會(huì)在靠近母材表面部分產(chǎn)生撕裂裂紋，多呈現(xiàn)層狀或階梯狀，如圖3所示。

圖1 產(chǎn)生層狀撕裂的典型結(jié)構(gòu)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(fā)生取決于鋼板的性能和焊接殘余應(yīng)力的大小，因此應(yīng)從材料選擇、焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和焊接工藝措施3個(gè)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(wú)損檢驗(yàn)技術(shù)不能對(duì)此做出準(zhǔn)確的判定。板材厚度方向的斷面收縮率現(xiàn)在被用來(lái)判斷層狀撕裂的傾向性，板材厚度方向的斷面收縮率超過(guò)20%的鋼板被認(rèn)為具有抗層狀撕裂能力。研究者還發(fā)現(xiàn)板材中的硫含量會(huì)對(duì)斷面收縮率產(chǎn)生影響，所以對(duì)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(duì)厚度方向性能鋼材的硫含量做出了嚴(yán)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(shí)際材料時(shí)，不僅要解決是否需要選擇板材厚度方向性能鋼材的問(wèn)題，還要解決選擇什么等級(jí)厚度方向性能鋼材的問(wèn)題，既要考慮結(jié)構(gòu)的安全性，又要考慮經(jīng)濟(jì)性。

歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1993-1-10（材料的韌性和厚度方向性能）[4]可參考使用。標(biāo)準(zhǔn)將影響層狀撕裂的影響因素分為5類(lèi)，即焊縫厚度aeff（見(jiàn)圖4）、接頭類(lèi)型、材料厚度、結(jié)構(gòu)剛性和是否預(yù)熱，根據(jù)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(jí)鋼材；和值在21～30，選擇Z25等級(jí)鋼材；和值在30以上，選擇Z35等級(jí)的鋼材。

根據(jù)EN1993-1-10，舉例說(shuō)明如何選擇合適的厚度方向性能的鋼材。例如箱型梁加強(qiáng)板，材料為S355或Q345，T型接頭角焊縫，板材厚度40 mm，應(yīng)力收縮方向角焊縫厚度10 mm。如果不預(yù)熱焊接，則 Zi＝6+0+10+3+0＝19；若預(yù)熱焊接，則 Zi＝6+0+10+3-8＝11，也需要選擇Z15等級(jí)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(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》[5]中均規(guī)定板材厚度大于40 mm時(shí)，應(yīng)采用厚度方向性能鋼板。例如北京國(guó)家體育場(chǎng)（鳥(niǎo)巢）的鋼結(jié)構(gòu)是典型的大型鋼結(jié)構(gòu)，使用大量厚板材，厚度方向性能的等級(jí)均為Z35級(jí)別的。

圖4 aeff示意

表2 層狀撕裂敏感值（節(jié)選EN1993-1-10表3.2）

圖5 接頭形式

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和焊接工藝措施[6]

實(shí)際EN1993-1-10不僅要考慮材料性能方面，同時(shí)也考慮了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和焊接工藝的影響。從設(shè)計(jì)角度，可以使焊接殘余應(yīng)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(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力或者將其降至很小。采用的設(shè)計(jì)方式和工藝措施如下：

（1）應(yīng)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(duì)于層狀撕裂而言，焊接時(shí)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(duì)于焊接接頭的疲勞強(qiáng)度而言，正好相反。所以在焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)綜合考慮，不能為了防止層狀撕裂而忽略其他問(wèn)題。

（3）盡可能使用軋制板材所有層次與焊縫連接。相對(duì)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(qiáng)，表2數(shù)據(jù)也可以證明。

（4）焊道次數(shù)應(yīng)考慮局部緩沖。與傳統(tǒng)的焊接順序（見(jiàn)圖6a）相比，采用圖6b所示的焊接順序能夠減小焊接殘余應(yīng)力。圖6b焊接順序的特點(diǎn)是在焊接焊道 1、2、3、5、6 時(shí)，整體焊接接頭的拘束度較小，能釋放一定的焊接內(nèi)應(yīng)力，所以焊接殘余應(yīng)力較小。

圖6 T型接頭的焊接順序

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

（6）大于100℃的焊前預(yù)熱。預(yù)熱可以使焊接接頭區(qū)域加熱和冷卻的速度盡量達(dá)到一致，整體減少熱脹冷縮過(guò)程中產(chǎn)生的焊接內(nèi)應(yīng)力，從而減小焊接殘余應(yīng)力。從表2還可以看出，預(yù)熱能夠明顯降低層狀撕裂的敏感值。

3 結(jié)論

材料的選擇、焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、焊接工藝措施三方面是相互關(guān)聯(lián)和相互影響的。選擇好的厚度方向性能的鋼板可以簡(jiǎn)單地解決層狀撕裂問(wèn)題，但其成本必然高于普通鋼板，所以只有在設(shè)計(jì)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(jīng)濟(jì)又避免層狀撕裂的發(fā)生。